(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電力デバイスであって、
入射光を受け取り透過するように構成されている透過基材と、
前記基材の後方に配設された活性層であって、前記活性層によって光が吸収された結果として第１導電層と第２導電層との間に電気信号を発生するように構成されている活性層と、
前記活性層を透過した光を反射するように配設されている反射体層と、
前記活性層と前記反射体層との間にある光空洞共振器と、
前記活性層と前記第１導電層との間に電気的接続を設けるように構成されている少なくとも１つのビアと、
を備え、
前記光空洞共振器の厚さが、前記厚さを制御するための制御信号を印加することで調節可能であり、
前記光空洞共振器が、エアーギャップまたは誘電体材料を含み、
前記光空洞共振器が存在することで、前記活性層内の光の平均電界強度が増大し、
前記活性層が、前記光空洞共振器の第１側上に配設され、
前記第１導電層が、前記光空洞共振器の第２側上に配設され、
前記反射体層によって反射された光の一部が、前記基材を透過する、光起電力デバイス。
【請求項２】
前記活性層が、半導体を含む請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３】
前記活性層が、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を含む請求項２に記載の光起電力デバイス。
【請求項４】
前記反射体層が、８０％より高い反射率を有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
前記反射体層が、金属を含む請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
前記反射体層が、アルミニウム、モリブデン、銀、及び金からなる群から選択された金属を含む請求項５に記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
前記光起電力デバイスがいくつかの可視波長に対して部分的光透過性を有するような部分的反射性を前記反射体層が有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
前記光起電力デバイスがいくつかの赤外線または紫外線波長に対して部分的光透過性を有するような部分的反射性を前記反射体層が有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
前記光空洞共振器が、複数の層を備える請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
前記光空洞共振器が、エアーギャップを備える請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１１】
前記光空洞共振器が、誘電体材料を備える請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１２】
前記光空洞共振器の厚さが、前記活性層内の光吸収を増大するように最適化された請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１３】
前記活性層の上に配設された反射防止層をさらに備える請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１４】
前記光空洞共振器が、２０００ｎｍ未満の厚さを有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１５】
前記活性層が、太陽スペクトル中の波長に対しある吸収効率を有し、前記太陽スペクトル中の前記波長にわたって積分された前記吸収効率が、前記光空洞共振器の存在下で少なくとも５％だけ増大する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１６】
太陽スペクトル中の波長に対しある総合変換効率を有し、前記太陽スペクトル中の前記波長にわたって積分された前記総合変換効率が、前記光空洞共振器の存在下で少なくとも１５％だけ増大する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１７】
前記太陽スペクトル中の前記波長にわたって積分された前記総合変換効率が、前記光空洞共振器の存在下で少なくとも２０％だけ増大する請求項１６に記載の光起電力デバイス。
【請求項１８】
前記太陽スペクトル中の前記波長にわたって積分された前記総合変換効率が、前記光空洞共振器の存在下で少なくとも２５％だけ増大する請求項１６に記載の光起電力デバイス。
【請求項１９】
前記光空洞共振器が存在することで、前記光起電力デバイスが太陽スペクトルに曝された場合に前記活性層内の平均電界強度が少なくとも２０％だけ増大する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２０】
前記光空洞共振器が存在することで、前記光起電力デバイスが太陽スペクトルに曝された場合に前記活性層内の平均電界強度が少なくとも２５％だけ増大する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２１】
前記光空洞共振器が存在することで、前記光起電力デバイスが太陽スペクトルに曝された場合に前記活性層内の平均電界強度が少なくとも３０％だけ増大する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２２】
前記光起電力デバイスが０．７より大きい太陽スペクトルにわたって積分された総合変換効率を有するような厚さを前記光空洞共振器が有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２３】
前記光起電力デバイスが０．８より大きい太陽スペクトルにわたって積分された総合変換効率を有するような厚さを前記光空洞共振器が有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２４】
前記光起電力デバイスが０．９より大きい太陽スペクトルにわたって積分された総合変換効率を有するような厚さを前記光空洞共振器が有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２５】
前記光起電力デバイスが０．９５より大きい太陽スペクトルにわたって積分された総合変換効率を有するような厚さを前記光空洞共振器が有する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２６】
少なくとも１つの追加の活性層と前記活性層を互いに分離する少なくとも１つの不活性層とをさらに備える請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの不活性層が、少なくとも１つの光共振層を含む請求項２６に記載の光起電力デバイス。
【請求項２８】
少なくとも１つの追加の光共振層をさらに備える請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの追加の光共振層が、前記活性層と前記反射体層との間に少なくとも１つの光空洞共振器を備える請求項２８に記載の光起電力デバイス。
【請求項３０】
前記光空洞共振器が存在することで、前記活性層の周りを囲む１つまたは複数の層内に吸収される光の量が減少する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３１】
前記光空洞共振器が存在することで、前記活性層内に電界共振が発生する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３２】
前記光空洞共振器の存在によりもたらされる、前記活性層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加が、前記光起電力デバイス内の他の層について前記太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加に比べて大きい請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３３】
前記光空洞共振器が存在することで、前記反射体層の前方にあり、前記活性層の周りを囲む１つまたは複数の層内に吸収される光の量が減少する請求項１に記載の光起電力デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、例えば、太陽電池セルなどの、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電子変換器の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
一世紀以上にわたり、石炭、石油、および天然ガスなどの化石燃料は、米国における主要なエネルギー源であり続けた。代替エネルギー源のニーズは増大の一途を辿っている。化石燃料は、急激に枯渇しつつある再生不能のエネルギー源である。インドおよび中国などの発展途上国の大規模工業化は、利用可能な化石燃料に対するかなりの負担となっている。それに加えて、地政学的な問題が、そのような燃料の供給にすぐさま影響を及ぼしうる。地球温暖化も、近年、大きな問題になっている。地球温暖化には多数の要因が絡んでいると考えられるが、化石燃料の広範な使用が地球温暖化の主要原因であると推定されている。そこで、経済的に継続可能で環境的にも安全な再生可能エネルギー源を見つけることが急務となっている。
【０００３】
太陽エネルギーは、熱および電気などの他のエネルギー形態に変換できる環境的に安全な再生可能エネルギー源である。太陽電池（ＰＶ）セルは、光エネルギーを電気エネルギーに変換するので、太陽エネルギーを電力に変換するために使用できる。太陽光電池セルは、非常に薄くすることができ、モジュールとして形成することができる。ＰＶセルのサイズは、数ミリメートルから数十センチメートルまでの範囲とすることができる。１つのＰＶセルから得られる個別の電気出力は、数ミリワットから数ワットまでの範囲とすることができる。数個のＰＶセルを電気的に接続して、パッケージングすることで、十分な電気量を発生することができる。ＰＶセルは、動力を衛星および他の宇宙船に供給すること、電気を住宅および商業施設に供給すること、および自動車のバッテリーを充電することなど、さまざまな用途に使用することができる。しかし、太陽エネルギーを経済的に競争力のある再生可能エネルギー源として利用するには、光エネルギーを電気に変換する効率が低いことが障害となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「Ｌｉｇｈｔ−Ｔｒａｐｐｉｎｇ  ｉｎ  ａ−Ｓｉ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ：  Ａ  Ｓｕｍｍａｒｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｅｓｕｌｔｓ  ｆｒｏｍ  ＰＶ  Ｏｐｔｉｃｓ」、Ｂ．  Ｌ．  Ｓｏｐｏｒｉら、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ  Ｐｒｏｇｒａｍ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｍｅｅｔｉｎｇ、Ｄｅｎｖｅｒ、Ｃｏｌｏｒａｄｏ、１９８８年９月８〜１１日
【非特許文献２】Ｍｉｒｏ  Ｚｅｍａｎ著「Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ，  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ＆  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｊ．  Ｐｏｏｒｔｍａｎｓ  ＆  Ｖ．  Ａｒｋｈｉｐｏｖ、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ、２００６年、２０５頁
【非特許文献３】Ｋｒｃら、「Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ」ＯＰＴＩＣＡＬ  ＡＮＤ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  （２００６年）３８：１１１５〜１１２３頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、必要なのは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を高めた光起電力デバイスおよび方法である。
【０００６】
本発明のいくつかの実施形態は、層状ＰＶデバイスの界面からの反射がコヒーレントに足し合わさって、光エネルギーが電気エネルギーに変換される太陽電池セルの活性領域内に高い電界を発生する、干渉同調太陽電池セルを備える。このような干渉同調または干渉光起電力デバイス（ｉＰＶ）は、干渉太陽電池セルの活性領域における光エネルギーの吸収を高め、それにより、デバイスの効率を向上させるからである。さまざまな実施形態において、電界集中および活性領域内の吸収を高めるために、１つまたは複数の光空洞共振器および／または光共振層が光起電力デバイスに含まれる。光空洞共振器および／または層は、透明非導電性材料、透明導電性材料、エアーギャップ、およびこれらの組み合わせを含むことができる。他の実施形態も使用することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を備える。反射体層は、活性層を透過する光を反射するように配設され、光空洞共振器は、活性層と反射体層との間に配置される。光空洞共振器が存在することで、活性層によって吸収される光の量が増大しうる。いくつかの実施態様では、光空洞共振器は、誘電体を含みうる。いくつかの実施態様では、光空洞共振器は、エアーギャップを含みうる。いくつかの実施態様では、光空洞共振器は、複数の層を含みうる。
【０００８】
他の実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成されたと少なくとも１つの活性層を備える。光起電力デバイスは、少なくとも１つの光共振層も備え、少なくとも１つの活性層は、太陽スペクトル中の波長に対しある吸収効率を有し、太陽スペクトル中の波長にわたって積分された吸収効率は、少なくとも１つの光共振層の存在下で少なくとも約２０％だけ増大する。
【０００９】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を備える。光起電力デバイスは、少なくとも１つの光共振層も備え、光起電力デバイスは、太陽スペクトル中の波長に対しある総合変換効率を有し、太陽スペクトル中の波長にわたって積分される総合変換効率は、少なくとも１つの光共振層の存在により少なくとも約１５％だけ増大する。
【００１０】
他の実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を備える。光起電力デバイスは、光共振層をさらに備え、この光共振層は光起電力デバイスが０．７より大きい太陽スペクトルにわたって積分される総合変換効率を有するような厚さを持つ。
【００１１】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を備える。光起電力デバイスは、活性層内の平均電界強度を高める少なくとも１つの光共振層をさらに備え、活性層は、光起電力デバイスが日光に曝露された場合にその層において太陽スペクトル中の波長について平均電界強度を有する。少なくとも１つの光共振層の存在によりもたらされる、活性層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加は、光起電力デバイス内の他の層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加に比べて大きい。
【００１２】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を備える。活性層は、光起電力デバイスが日光に曝露された場合にその層において太陽スペクトル中の波長について平均電界強度および吸収光パワーを有する。光起電力デバイスは、活性層内の平均電界強度および吸収光パワーを高める少なくとも１つの光共振層をさらに備え、少なくとも１つの光共振層の存在によりもたらされる、活性層について太陽スペクトルにわたって積分された吸収光パワーの増加は、光起電力デバイス内の他の層について太陽スペクトルにわたって積分された吸収光パワーの増加に比べて大きい。
【００１３】
一実施形態では、光起電力デバイスは、基材と、基材上に配設された光学積層体と、光学積層体上に配設された反射体層とを備える。光学積層体は、少なくとも１つの活性層と１つまたは複数の層とをさらに備え、少なくとも１つの活性層は、約４００ｎｍの光に対して０．７より大きな吸収効率を有する。
【００１４】
一実施形態では、干渉原理を使用して光起電力デバイス内の活性層の中における光吸収を高める方法は、吸収光のための少なくとも１つの活性層を備え、吸収光を電気エネルギーに変換するステップと、少なくとも１つの光共振層を活性層に関して位置決めするステップとを含み、電磁放射線の干渉原理により、少なくとも１つの活性層内の太陽エネルギーの吸収が少なくとも５％だけ高められ、この吸収は太陽スペクトル中の波長について積分される。
【００１５】
いくつかの実施形態では、光起電力デバイスは、電磁放射線を吸収して、その電磁放射線を電気エネルギーに変換するための少なくとも１つの活性層を備える。光起電力デバイスは、活性層に関して配設された少なくとも１つの光共振層をさらに備え、光学干渉の結果として、光共振層によって、少なくとも１つの活性層内の太陽エネルギーの吸収が少なくとも５％だけ高められ、この吸収は太陽スペクトルにわたって積分される。
【００１６】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を備える。反射体層は、活性層を透過する光を反射するように配設され、反射体層は光起電力デバイスがいくつかの波長について部分的に透過的であるように部分的光透過性を有する。光起電力デバイスは、活性層と反射体層との間に配設された少なくとも１つの光共振層をさらに備え、少なくとも１つの光共振層が存在することで活性層によって吸収される光の量が増大する。
【００１７】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を備える。光起電力デバイスは、少なくとも１つの光共振層をさらに備え、少なくとも１つの光共振層が存在することで活性層によって吸収される光の量が増大し、少なくとも１つの光共振層の厚さは、厚さを制御するための制御信号を印加することで調節可能である。
【００１８】
一実施形態では、太陽電池セルの吸収効率を最適化する方法は、層の積み重ねを含む太陽電池セルを形成するステップを含み、少なくとも１つの層は、少なくとも１つの活性層を含み、太陽電池セルを形成するステップは、複数の波長において太陽電池セル内の少なくとも１つの活性層の吸収効率を最適化するために干渉原理を使用するステップを含む。
【００１９】
一実施形態では、太陽電池は、基材と、透明基材上に配設された光学積層体と、基材上に配設された反射体とを備える。光学積層体は、１つまたは複数の薄膜層と１つまたは複数の薄膜層の厚さに基づき選択された波長の光を吸収するように最適化された活性層とをさらに備え、活性層の吸収は、複数の界面からの反射のコヒーレントな足し合わせの分析を用いて最適化される。
【００２０】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された第１および第２の活性層を備える。光起電力デバイスは、第１の活性層と第２の活性層との間に第１の光共振層をさらに備え、光共振層が存在することで第１の活性層および第２の活性層のうちの少なくとも一方によって吸収される光の量が増大する。
【００２１】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光を吸収するための手段を備える。光吸収手段は、光が光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。光を反射するための手段は、少なくとも１つの光吸収手段を透過する光を反射するように配設される。光共振を発生するための手段は、光吸収手段と光反射手段との間に配設される。光共振発生手段は、少なくとも１つの光吸収手段によって吸収される光の量を増大させるように構成され、光共振発生手段は、電気的に絶縁するための手段を備える。
【００２２】
他の実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、活性層を形成するステップを含み、この活性層は、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。この方法は、活性層を透過する光を反射するように反射体層を配設するステップと、活性層と反射体層との間に光空洞共振器を配設するステップとを含む。一実施態様では、光空洞共振器は、誘電体を含む。他の実施態様では、光空洞共振器は、エアーギャップを含む。
【００２３】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光を吸収するための手段を備える。光吸収手段は、光が光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。光起電力デバイスは、光吸収手段を透過する光を反射するように配設された光を反射するための手段と光吸収手段と光反射手段との間に光共振を発生するための手段とをさらに備える。光共振発生手段は、少なくとも１つの光吸収手段によって吸収される光の量を増大させるように構成され、光共振発生手段は、その中に通して光を伝搬させるための複数の手段を備える。
【００２４】
他の実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、活性層を形成するステップを含み、この活性層は、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。この方法は、少なくとも１つの活性層を透過する光を反射するように反射体層を配設するステップと、活性層と反射体層との間に光空洞共振器を形成するステップとをさらに含み、光空洞共振器は、複数の層を含む。
【００２５】
代替実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、光を吸収するための手段を備え、光吸収手段は光が光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、少なくとも１つの光吸収手段を透過する光を反射するように配設された光を反射するための手段と、光吸収手段と光反射手段との間に配設された光共振を発生するための手段とをさらに備え、光吸収手段は、太陽スペクトル中の波長に対しある吸収効率を有し、太陽スペクトル中の波長にわたって積分された吸収効率は、光共振発生手段の存在下で少なくとも約２０％だけ増大する。
【００２６】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、少なくとも１つの活性層を形成するステップを含み、この活性層は、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成されている。この方法は、少なくとも１つの活性層を透過する光を反射するように反射体層を配設するステップと、活性層と反射体層との間に少なくとも１つの光共振層を配設するステップとをさらに含み、少なくとも１つの活性層は、太陽スペクトル中の波長に対しある吸収効率を有し、太陽スペクトル中の波長にわたって積分された吸収効率は、少なくとも１つの光共振層の存在下で少なくとも約２０％だけ増大する。
【００２７】
一実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、光を吸収するための手段を備え、光吸収手段は光が光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、少なくとも１つの光吸収手段を透過する光を反射するように配設された光を反射するための手段と、光吸収手段と光反射手段との間に配設された光共振を発生するための手段とをさらに備える。光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、太陽スペクトル中の波長に対しある総合変換効率を有し、太陽スペクトル中の波長にわたって積分される総合変換効率は、光共振発生手段の存在下で少なくとも約１５％だけ増大する。
【００２８】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、活性層を形成するステップを含み、この活性層は、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。この方法は、少なくとも１つの活性層を透過する光を反射するように反射体層を配設するステップと、少なくとも１つの活性層と反射体層との間に少なくとも１つの光共振層を配設するステップとをさらに含む。光起電力デバイスは、太陽スペクトル中の波長に対する総合変換効率を有し、太陽スペクトル中の波長にわたって積分される総合変換効率は、少なくとも１つの光共振層の存在下で少なくとも約１５％だけ増大する。
【００２９】
一実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、光を吸収するための手段を備え、光吸収手段は光が光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、光共振を発生するための手段をさらに備え、光共振発生手段は、光吸収手段における平均電界強度を増大する。光吸収手段は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段が日光に曝露された場合にその手段において太陽スペクトル中の波長について平均電界強度を有する。光共振発生手段の存在によりもたらされる、光吸収手段について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段内の他の層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加に比べて大きい。
【００３０】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、活性層を形成するステップを含み、この活性層は、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成される。方法は、少なくとも１つの光共振層を形成するステップをさらに含み、光空洞共振器は、活性層内の平均電界強度を増大する。活性層は、光起電力デバイスが日光に曝露された場合にその層において太陽スペクトル中の波長について平均電界強度を有し、少なくとも１つの光共振層の存在によりもたらされる、活性層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加は、光起電力デバイス内の他の層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加に比べて大きい。
【００３１】
他の実施形態では、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、光が光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された光を吸収するための手段を備え、光吸収手段は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段が日光に曝露された場合に太陽スペクトル中の波長についてその手段において平均電界強度および吸収光パワーを有する。光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段は、光吸収手段における平均電界強度および吸収光パワーを増大する光共振を発生するための手段をさらに備え、光共振発生手段の存在によりもたらされる、光吸収手段について太陽スペクトルにわたって積分された吸収光パワーの増加は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段内の他の層について太陽スペクトルにわたって積分された吸収光パワーの増加に比べて大きい。
【００３２】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、活性層を形成するステップを含み、活性層は光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成され、活性層は、光起電力デバイスが日光に曝露された場合にその層において太陽スペクトル中の波長について平均電界強度および吸収光パワーを有する。方法は、少なくとも１つの光共振層を形成するステップをさらに含み、光空洞共振器は、活性層内の平均電界強度および吸収光パワーを増大し、少なくとも１つの光共振層の存在によりもたらされる、活性層について太陽スペクトルにわたって積分された吸収光パワーの増加は、光起電力デバイス内の他の層について太陽スペクトルにわたって積分された吸収光パワーの増加に比べて大きい。
【００３３】
一実施形態では、光起電力デバイスは、支持するための手段を備える。光起電力デバイスは、支持手段上に配設された光と相互作用するための手段をさらに備え、光相互作用手段は光を吸収するための少なくとも１つの手段と光を伝搬するための１つまたは複数の手段とを備える。光起電力デバイスは、光相互作用手段上に配設された光を反射するための手段も備え、少なくとも１つの光吸収手段は、約４００ｎｍの光に対して０．７より大きな吸収効率を有する。
【００３４】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、基材を形成するステップを含む。方法は、少なくとも１つの活性層と１つまたは複数の層とを含む光学積層体を基材上に配設するステップと、光学積層体上に反射体層を配設するステップも含み、少なくとも１つの活性層は、約４００ｎｍの光に対して０．７より大きな吸収効率を有する。
【００３５】
いくつかの実施形態では、光起電力デバイスは、光を吸収するための手段を備え、光吸収手段は光を吸収し、吸収された光を電気エネルギーに変換するように構成される。光起電力デバイスは、光共振を発生するための手段をさらに備え、電磁放射線の干渉原理により、光吸収手段内の太陽エネルギーの吸収が少なくとも５％だけ高められ、この吸収は太陽スペクトル中の波長について積分される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、光起電力デバイスは、光が光を吸収するための手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された光を吸収するための手段を備える。光起電力デバイスは、少なくとも１つの光吸収手段を透過する光を反射するように配設された光を反射するための手段と、光吸収手段と光反射手段との間に光共振を発生するための手段とをさらに備え、光共振発生手段が存在することで、光吸収手段によって吸収される光の量が増大し、反射手段は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段がいくつかの波長について部分的に透過的であるように部分的光透過性を有する。
【００３７】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された活性層を形成するステップと、少なくとも１つの活性層を透過する光を反射するように配設された反射体層を形成するステップと、活性層と反射体層との間に少なくとも１つの光共振層を形成するステップとを含み、少なくとも１つの光共振層が存在することで活性層によって吸収される光の量が増大し、反射体層は、光起電力デバイスがいくつかの波長について部分的に透過的であるように部分的光透過性を有する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、光起電力デバイスは、光が光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された光を吸収するための手段を備える。光起電力デバイスは、少なくとも１つの光吸収手段を透過する光を反射するように配設された光を反射するための手段と、光吸収手段と光反射手段との間に配設された光共振を発生するための手段とをさらに備え、光共振発生手段が存在することで、光吸収手段によって吸収される光の量が増大し、光共振発生手段の厚さは、厚さを制御するための制御信号を印加することで調節可能である。
【００３９】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、光が活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された少なくとも１つの活性層を形成するステップを含む。この方法は、少なくとも１つの活性層を透過する光を反射するように配設された反射体層を形成するステップと、少なくとも１つの活性層と反射体層との間に少なくとも１つの光共振層を形成するステップとをさらに含み、少なくとも１つの光共振層が存在することで活性層によって吸収される光の量が増大し、少なくとも１つの光共振層の厚さは、厚さを制御するための制御信号を印加することで調節可能である。
【００４０】
一実施形態では、光起電力デバイスは、光が第１および第２の光吸収手段によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された光を吸収するための第１および第２の手段を備える。光起電力デバイスは、光共振を発生するための第１の手段をさらに備える。第１の光共振発生手段が存在することで、第１および第２の光吸収手段によって吸収される光の量が増大する。
【００４１】
一実施形態では、光起電力デバイスを製造する方法は、光が第１および第２の活性層によって吸収された結果として電気信号を発生するように構成された第１および第２の活性層を形成するステップと、第１の光共振層を形成するステップとを含み、第１の光共振層が存在することで、第１および第２の活性層によって吸収される光の量が増大する。
【００４２】
本明細書で開示されている例示的な実施形態は、例示することのみを目的としている、添付の概略図面において示されている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】光干渉空洞を示す略図である。
【図２】反射光を増大する光干渉空洞を示す略図である。
【図３】吸収体層を含む複数の層、光空洞共振器、および反射体を備える干渉変調器（「ＩＭＯＤ」）スタックのブロック図である。
【図４Ａ】図３の「ＩＭＯＤ」に入射する光線によって発生する反射の一部を示す略図である。例示のため、反射の一部しか示されていない。ただし、与えられた層について、入射光線およびＩＭＯＤ内のさまざまな界面から反射された光線が、コヒーレントに足し合わされ、その層内の電界強度を決定することができる。
【図４Ｂ】「開放」状態にあるＩＭＯＤを示す図である。
【図４Ｃ】「閉鎖」状態にあるＩＭＯＤを示す図である。
【図５Ａ】法線入射および反射光に対する「開放」状態にある干渉光変調器の、結果として得られる分光感度特性、例えば、反射および吸収を示す図である。
【図５Ｂ】法線入射および反射光に対する「開放」状態にある干渉光変調器の、結果として得られる分光感度特性、例えば、反射および吸収を示す図である。
【図５Ｃ】法線入射および反射光に対する「開放」状態にある干渉光変調器の、結果として得られる分光感度特性、例えば、反射および吸収を示す図である。
【図５Ｄ】法線入射および反射光に対する「開放」状態にある干渉光変調器の、結果として得られる分光感度特性、例えば、反射および吸収を示す図である。
【図６Ａ】法線入射および反射光に対する「閉鎖」状態にある干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図６Ｂ】法線入射および反射光に対する「閉鎖」状態にある干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図６Ｃ】法線入射および反射光に対する「閉鎖」状態にある干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図６Ｄ】法線入射および反射光に対する「閉鎖」状態にある干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図７Ａ】入射角または視野角が約３０度である場合に「開放」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図７Ｂ】入射角または視野角が約３０度である場合に「開放」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図７Ｃ】入射角または視野角が約３０度である場合に「開放」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図７Ｄ】入射角または視野角が約３０度である場合に「開放」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図８Ａ】入射角または視野角が約３０度である場合に「閉鎖」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図８Ｂ】入射角または視野角が約３０度である場合に「閉鎖」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図８Ｃ】入射角または視野角が約３０度である場合に「閉鎖」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図８Ｄ】入射角または視野角が約３０度である場合に「閉鎖」状態の干渉光変調器の分光感度特性を示す図である。
【図９】ｐｎ接合を備える太陽電池セルを示す略図である。
【図１０】非晶質シリコンを含むｐｉｎ接合を持つ光電セルの概略を示すブロック図である。
【図１１Ａ】他の従来のＰＶセルを示す略図である。
【図１１Ｂ】干渉変調の原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大し、それにより効率を高めるＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｃ】干渉変調の原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大し、それにより効率を高めるＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｄ】干渉変調の原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大し、それにより効率を高めるＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｅ】干渉変調の原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大し、それにより効率を高めるＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｆ】干渉変調の原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大し、それにより効率を高めるＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｇ】干渉変調の原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大し、それにより効率を高めるＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｈ】干渉変調の原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大し、それにより効率を高めるＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｉ】静電気で変化しうる厚さを有する光空洞共振器を有するＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１１Ｊ】静電気で変化しうる厚さを有する光空洞共振器を有するＰＶセルを備える実施形態を示す略図である。
【図１２】ＰＶセルのさまざまな層内の電界強度を計算する際に使用される用語を示す略図である。
【図１３】ＩＭＯＤの原理を使用してＰＶセルの活性領域内の吸収を増大するＰＶセルを加工する方法を示す流れ図である。
【図１４】ＰＶセルのさまざまな設計に対するＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）活性層内のモデル化された吸収を示すグラフである。
【図１５Ａ】第１および第２のインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）層およびアルミニウム（Ａｌ）反射体によって囲まれているα−Ｓｉ−Ｈを含むｐｉｎ接合を備える従来のＰＶセルの一実施例を示す図である。厚さ９００ｎｍの第１のＩＴＯ層、厚さ３３０ｎｍのα−Ｓｉ活性層、および厚さ８０ｎｍの第２のＩＴＯ層を有する図１５Ａに示されているようなＰＶセルに対する吸収および反射スペクトルが以下に示される。
【図１５Ｂ】図１５ＡのＰＶセルに対する全吸収対波長を示すグラフである。
【図１５Ｃ】図１５ＡのＰＶセルに対する全反射対波長を示すグラフである。
【図１５Ｄ】図１５ＡのＰＶセルに対する活性層内の吸収対波長を示すグラフである。
【図１５Ｅ】図１５ＡのＰＶセルに対する第１のＩＴＯ層内の吸収対波長を示すグラフである。
【図１５Ｆ】図１５ＡのＰＶセルに対するＩＴＯ層および反射体層における吸収対波長を示すグラフである。
【図１５Ｇ】図１５ＡのＰＶセルに対するＩＴＯ層および反射体層における吸収対波長を示すグラフである。
【図１６Ａ】第１の電極および第２の電極の厚さの関数としての図１５Ａの光起電力デバイスの活性層内の積分された吸収を示す等高線図である。積分された吸収は、太陽スペクトルにわたって積分された吸収を含む。
【図１６Ｂ】第１のＩＴＯ層（厚さ５４ｎｍ）、α−Ｓｉ活性層（厚さ３３０ｎｍ）、および第２のＩＴＯ層（厚さ９１ｎｍ）を有する図１５ＡのＰＶセルの最適化バージョンの活性層の吸収を示すグラフである。
【図１６Ｃ】第１のＩＴＯ層（厚さ５４ｎｍ）、α−Ｓｉ活性層（厚さ３３０ｎｍ）、および第２のＩＴＯ層（厚さ９１ｎｍ）を有する図１５ＡのＰＶセルの最適化バージョンの全吸収を示すグラフである。
【図１７】Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（「ＣＩＧＳ」）、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層を含む活性領域を含むＫｒｃらによって開示されている光起電力デバイスを示す略図であるが、ただし、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（「ＣＩＧＳ」）、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層は、吸収効率が最大になるように最適化されていない。
【図１８Ａ】ＣＩＧＳ、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層を含む図１７の光起電力デバイスに対するモデル化された吸光度対波長のグラフである。
【図１８Ｂ】ＣＩＧＳ、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層を含む図１７の光起電力デバイスに対するモデル化された吸光度対波長のグラフである。
【図１８Ｃ】ＣＩＧＳ、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層を含む図１７の光起電力デバイスに対するモデル化された吸光度対波長のグラフである。
【図１９Ａ】活性領域と反射体層との間に光空洞共振器を追加した後の図１７に示されているような光起電力デバイスの図である。
【図１９Ｂ】活性領域と反射体層との間に光空洞共振器を追加した後の図１７に示されているような光起電力デバイスの図である。
【図２０Ａ】図１７のデバイスと比べて活性領域内の吸収が高くなっていることを示すＣＩＧＳ、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層を含む活性領域と光空洞共振器を備える図１９Ａに示されているデバイスに対するモデル化された吸光度対波長のグラフを示す図である。
【図２０Ｂ】図１７のデバイスと比べて活性領域内の吸収が高くなっていることを示すＣＩＧＳ、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層を含む活性領域と光空洞共振器を備える図１９Ａに示されているデバイスに対するモデル化された吸光度対波長のグラフを示す図である。
【図２０Ｃ】図１７のデバイスと比べて活性領域内の吸収が高くなっていることを示すＣＩＧＳ、ｐ型層およびＣｄＳ、ｎ型層を含む活性領域と光空洞共振器を備える図１９Ａに示されているデバイスに対するモデル化された吸光度対波長のグラフを示す図である。
【図２１】導電層（ＩＴＯ層と金属層）によって上下を囲まれた活性領域を有し、またその領域との電気的接続のためのビアを有する光起電力デバイスを示す略図であるが、ただし、このデバイスは、活性領域内で吸収を干渉で増大するように設計されている光空洞共振器をさらに備える。
【図２２】光共振層と金属層とによって上下を囲まれた活性領域を有し、電気的接続のためのビアを有する光起電力デバイスを示す略図であるが、ただし、このデバイスは、活性領域内で吸収を干渉で増大するように設計されている光キャビティをさらに備える。
【図２３】活性領域と金属層との間に配設された光空洞共振器を有し、電気的接続のためのビアを有するもう１つの光起電力デバイスを示す略図であるが、ただし、光起電力デバイスは、活性領域内で吸収を干渉で増大するように設計されている。
【図２４】５００ｎｍから７５０ｎｍまでの範囲の活性領域内で平均約９０％の吸収を示す約４００ｎｍから約１１００ｎｍまでの波長帯上の図２３の光起電力デバイスのＣＩＧＳ、ｐ型層のモデル化された吸収を示すグラフである。
【図２５Ａ】光電セルの一実施形態を示す略図であるが、ただし、光電セルの活性層は光空洞共振器と光共振層との間に配設されている。
【図２５Ｂ】図２５Ａに示されている光電セルに類似の他の実施形態を示す略図であるが、ただし、活性層の上にある共振層は、誘電体を含み、活性層の下にある空洞共振器は、エアーギャップまたは誘電体を含み、ビアはエアーギャップまたは誘電体を通じて電気伝導をもたらす。
【図２５Ｃ】ＩＴＯ層が活性層と空洞共振器との間に配設されている他の実施形態を示す略図である。
【図２６】光電セルの活性層と反射体との間に光空洞共振器を有する単純化された光電セルの他の実施形態を示す略図であるが、ただし、活性層上には層は示されていない。
【図２７】従来の多接合光起電力デバイスを示す略図である。
【図２８Ａ】光共振層と活性領域内で吸収を干渉で増大するように設計されている光空洞共振器とをさらに備える図２７に示されているような多接合光起電力デバイスの一実施形態を示す略図である。
【図２８Ｂ】図２８Ａに示されている多接合光電セルに類似の他の実施形態を示す略図であるが、ただし、空洞共振器は、エアーギャップまたは誘電体を含み、ビアはエアーギャップまたは誘電体を通じて電気伝導をもたらす。
【図２９Ａ】複数の光共振層と活性領域内で吸収を干渉で増大するように設計されている光空洞共振器とをさらに備える図２７に示されている多接合光起電力デバイスを示す略図である。
【図２９Ｂ】図２９Ａに示されている多接合光電セルに類似の他の実施形態を示す略図であるが、ただし、空洞共振器は、エアーギャップまたは誘電体を含み、ビアはエアーギャップまたは誘電体を通じて電気伝導をもたらす。
【図３０】従来の半透明ＰＶセルを示す略図である。
【図３１】厚さを減らして透明度を高めた反射体を備えるＰＶセルを示す略図である。
【図３２Ａ】光共振層を備えるが、光空洞共振器を備えない、半透明多接合ＰＶセルを示す略図である。
【図３２Ｂ】電気的接続をもたらすビアを備える図３２Ａに示されているのと似た半透明多接合ＰＶセルを示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下の詳細な説明は、本発明のいくつかの特定の実施形態を対象とするものである。しかし、本発明は、数多くの異なる方法で具現化されうる。この説明では、全体を通して類似の部分は類似の番号を指定される図面が参照される。以下の説明から明らかなように、実施形態は、光起電材料を含むデバイスで実装されうる。本明細書において以下で説明されるような光起電力デバイスにＭＥＭＳデバイスを結合することができる。
【００４５】
図１に示されているような光透過性誘電体薄膜または層は、光空洞共振器の一例である。誘電体薄膜または層は、ガラス、プラスチック、または他の透明材料などの誘電体材料を含みうる。そのような光空洞共振器の一例は、気泡を形成し、反射色のスペクトルを発生することができるせっけん薄膜である。図１に示されている光空洞共振器は、２つの表面１０１および１０２を有する。２つの表面１０１および１０２は、同じ層上の向かい合う表面としてよい。例えば、これら２つの表面１０１および１０２は、ガラスまたはプラスチックプレートもしくはシートまたは薄膜上の表面を含みうる。空気または他の媒質が、このシートまたは薄膜を囲みうる。
【００４６】
光空洞共振器の表面１０１に入射した光線１０３は、光路１０４で示されるように部分的に反射され（例えば、フレネル反射によって）、光路１０５にそって表面１０１を部分的に透過する。透過光は、光路１０７にそって部分的に反射され（例えば、ここでもまたフレネル反射によって）、光路１０６にそって空洞共振器から部分的に透過して外へ出ることもある。透過する光と反射する光の量は、光空洞共振器を含む材料および周囲媒質の屈折率に依存しうる。
【００４７】
本明細書で述べる説明のために、光空洞共振器から反射される光の全強度は、２つの反射光線１０４および１０７のコヒーレントな重ね合わせである。このようなコヒーレントな重ね合わせがある場合、２つの反射光線の振幅と位相は両方とも、総強度に関わる。このコヒーレントな重ね合わせは、干渉と称される。一般に、２つの反射光線１０４および１０７は、互いに関して位相差を持ちうる。いくつかの実施形態では、２つの波の間の位相差は、１８０度であり、互いに打ち消し合うことがある。２つの光線１０４および１０７の位相および振幅が、強度を低下させるように構成される場合、２つの光線は、破壊的に干渉すると称される。他方で、２つの光線１０４および１０７の位相および振幅が、強度を高めるように構成される場合、２つの光線は、建設的に干渉すると称される。位相差は、２つの経路の光路差に依存し、これは、光空洞共振器の厚さと屈折率の両方、したがって２つの表面１０１と１０２の間の材質に依存する。入射光線１０３において波長が異なれば、位相差も異なる。したがって、いくつかの実施形態では、光空洞共振器は、入射光１０３の特定の波長群を反射し、入射光１０３内のそれ以外の波長を透過することができる。そのため、建設的に干渉する波長もあれば、破壊的に干渉する波長もある。一般に、それゆえ、光空洞共振器によって反射され、透過される色と全強度は、光空洞共振器を含む厚さと材料に依存する。反射および透過波長は、角度にも依存し、角度が異なれば反射され、透過される波長も異なる。
【００４８】
図２では、上部反射体層２０１は、光空洞共振器の上面１０１に堆積され、底部反射体層２０２は、光空洞共振器の底面１０２に堆積される。上部および底部の反射体層２０１、２０２の厚さは、互いに実質的に異なっていてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、上部反射体層２０１は、底部反射体層２０２より薄くてもよい。反射体層２０１、２０２は、金属を含むことができる。図２に示されているように、光空洞干渉器の上部反射体層２０１上に入射した光線２０３は、経路２０４および２０７のそれぞれにそって光空洞干渉器から部分的に反射される。観察者から見た照明場は、２つの反射光線２０４と２０７の重ね合わせを含む。底部反射体２０２を通して、デバイスに実質的に吸収されるか、または透過してデバイスから外に出る光の量は、反射体層２０１、２０２の厚さおよび／または組成を変えることによって有意に増減させることができる。図示されている実施形態において、底部反射体２０２の厚さが増すと、光空洞共振器１０１の反射が増大する。
【００４９】
いくつかの実施形態では、上部反射体層２０１と底部反射体層２０２との間の誘電体（例えば、ガラス、プラスチックなど）は、エアーギャップによって置き換えられうる。光空洞干渉器は、入射光の１つまたは複数の特定色を反射しうる。光空洞干渉器によって反射される１つまたは複数の色は、エアーギャップの厚さに依存しうる。光空洞干渉器によって反射される１つまたは複数の色は、エアーギャップの厚さを変えることによって変えることができる。
【００５０】
いくつかの実施形態では、上部反射体２０１と底部反射体２０２との間のギャップは、例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）によって変化させることができる。ＭＥＭＳは、微小機械要素、アクチュエータ、および電子回路を備える。微小機械要素は、蒸着、エッチング、および／または基材および／または蒸着材料層の一部を、エッチングで取り去るか、もしくは除去するか、または層を加えて電気および電気機械デバイスを形成する他のマイクロマシニングプロセスを使用して製作されうる。このようなＭＥＭＳデバイスとして、電気的に調節可能な光空洞共振器を有する干渉変調器（「ＩＭＯＤ」）が挙げられる。本明細書で使用されているように、干渉変調器または干渉光変調器という用語は、デバイスが調節可能であるかどうか、デバイス内の移動が可能かどうか（例えば、静的ＩＭＯＤ）に関係なく、光学干渉の原理を使用して光を選択的に吸収し、および／または反射するデバイスを指す。いくつかの実施形態では、干渉変調器は、一対の伝導性プレートを備えることができ、その対の一方は、部分的反射性と部分的透過性を有し、その対の他方は、部分的反射性または全反射性を有する。伝導性プレートは、適切な電気信号を印加すると相対運動を行うことができる。特定の一実施形態では、一方のプレートは、基材上に堆積された固定層を備え、他方のプレートは、エアーギャップにより固定層から分離された金属膜を備えうる。本明細書でさらに詳しく説明されるように、一方のプレートの他方のプレートに対する相対的な位置が、干渉変調器に入射する光の光学干渉を変化させうる。このようにして、干渉変調器によって出力される光の色を変化させることができる。
【００５１】
この光空洞干渉器を使用することで、少なくとも２つの状態を生じさせることが可能である。例えば、一実施形態では、第１の状態では、特定の寸法の光空洞干渉器が備えられ、これによって、選択された色の光（空洞のサイズに基づく）が建設的に干渉し、反射して空洞から出てくる。第２の状態は、光の建設的干渉および／または破壊的干渉のいずれかによって発生する可視暗状態を含み、これにより、可視波長が実質的に吸収される。
【００５２】
図３は、干渉変調器スタック３００の図である。例示されているように、ＩＭＯＤスタック３００は、ガラス基材３０１、電極層３０２、およびその上にある吸収体層３０３を備える。ＩＭＯＤスタック３００は、光空洞共振器３０４が吸収体層３０３とＡｌ反射体３０５との間に形成されるようにＡｌ反射体３０５も備える。例えば、Ａｌ反射体３０５は、いくつかの実施形態では厚さを約３００ｎｍとすることができ、また光空洞共振器３０４は、エアーギャップを含むことができる。いくつかの実施形態では、光空洞は、１つまたは複数の部分的に透明な伝導体または部分的に透明な非伝導体を備えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、光空洞干渉器は、ＩＴＯ層などの透明伝導層または例えばＳｉＯ２層などの非伝導性材料または両方を含みうる。さまざまな実施形態において、光空洞共振器は、エアーギャップ、透明伝導性酸化物などの透明伝導性材料、透明非伝導性酸化物などの透明非伝導性材料、またはこれらの組み合わせを含みうる１つまたは複数の層を備える複合構造を有することができる。
【００５３】
図３に示されている実施形態では、光は、最初にガラス基材３０１および電極層３０２を通過して吸収体層３０３に入ることによってＩＭＯＤスタック３００を通過する。吸収体層３０３内に吸収されない光は、光空洞干渉器３０４を通過し、そこで、光はＡｌ反射体３０５によって反射されて光空洞共振器３０４を通り吸収体層３０３内に戻る。ＩＭＯＤ内では、エアーギャップの厚さは、与えられた波長もしくは波長帯に対し「明」状態を、または与えられた波長もしくは波長帯に対し「暗」状態を発生するように選択できる。いくつかの実施形態では、「明」状態において、光空洞共振器３０４の厚さは、光が吸収体層３０３において第１の干渉を示すような厚さである。「暗」状態では、光空洞共振器３０４の厚さは、光が吸収体層３０３において第２の干渉を示すような厚さである。いくつかの実施形態では、第２の干渉は、第１の干渉（例えば、可視波長について）に比べて建設的である。吸収層内の干渉が建設的であればあるほど、電界が強まり、吸収体層３０３内の吸収は大きくなる。
【００５４】
ＩＭＯＤがどのように暗出力を発生できるかを示すために、図４Ａには、図３に示されているＩＭＯＤに入射した光線およびＩＭＯＤ内の異なる界面からのその入射光線のさまざまな反射が示されている。これらの反射は、そのような入射光線から結果として生じる反射の一部しか含まない。例えば、さまざまな界面から反射される光線は、ここでもまた、他の界面から反射されることがあり、それにより多数の後方および前方反射が生じる。しかし、簡単のため、反射および反射光線の一部しか示されていない。
【００５５】
例えば、図４Ａでは、光線４０１は、ＩＭＯＤ構造上に入射した光線を含む。入射光線４０１は、強度Ｅ１および位相Φ１を有するものとしてよい。ＩＭＯＤの層３０１に当たった後、入射光線４０１は、光線４０２で示されているように部分的に反射され、光線４０３で示されているように部分的に透過しうる。反射光線４０２は、強度Ｅ１ａｒおよび位相Φ１ａｒを有するものとすることができる。透過光線４０３は、強度Ｅ２および位相Φ２を有するものとすることができる。透過光線４０３は、光線４０３ａで示されるようにさらに部分的に反射され、層３０２の表面の光線４０４で示されるように部分的に透過しうる。反射光線４０３ａは、強度Ｅ２ａｒおよび位相Φ２ａｒを有するものとすることができる。透過光線４０４は、強度Ｅ３および位相Φ３を有するものとすることができる。同様に、透過光線４０４は、光線４０４ａで示されるようにさらに部分的に反射され、層３０３の上面に当たった後光線４０５で示されるように部分的に透過しうる。反射光線４０４ａは、強度Ｅ３ａｒおよび位相Φ３ａｒを有するものとすることができる。透過光線４０５は、強度Ｅ４および位相Φ４を有するものとすることができる。透過光線４０５は、ここでもまた、光線４０５ａで示されるようにさらに部分的に反射され、層３０４の表面からの光線４０６で示されるように部分的に透過しうる。反射光線４０５ａは、強度Ｅ４ａｒおよび位相Φ４ａｒを有するものとすることができる。透過光線４０６は、強度Ｅ５および位相Φ５を有するものとすることができる。透過光線４０６は、光線４０６ａで示されるようにさらに部分的に反射され、層３０５の表面の光線４０７で示されるように部分的に透過しうる。反射光線４０６ａは、強度Ｅ５ａｒおよび位相Φ５ａｒを有するものとすることができる。透過光線４０７は、強度Ｅ６および位相Φ６を有するものとすることができる。反射体３０５の底面において、光線４０７によって示される透過光は、光線４０７ａで示されるようにほとんど完全に反射される。光線４０７ａの強度は、Ｅ６ａｒであり、位相は、Φ６ａｒであるものとすることができる。
【００５６】
反射光線４０３ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０６ａ、および４０７ａは、ＩＭＯＤの層のそれぞれから外へ透過し、図４Ａに示されているようにデバイスから最終的に透過して出てくる。これらの光線は、追加の界面を透過し、したがって追加のフレネル反射を受ける。例えば、反射光線４０３ａは、光線４０３ｂで表されるように基材３０１を透過する。反射光線４０４ａは、電極３０２および基材３０１を透過し（光線４０４ｂで示されているように）、光線４０４ｃとして存在する。同様に、反射光線４０５ａは、吸収体３０３、電極３０２、および基材３０１を透過し（光線４０５ｂ、４０５ｃで示されているように）、光線４０５ｄとして存在する。反射光線４０５ａは、吸収体３０３、電極３０２、および基材３０１を透過し（光線４０５ｂ、４０５ｃで示されているように）、光線４０５ｄとして存在する。反射光線４０６ａは、光空洞共振器３０４、吸収体３０３、電極３０２、および基材３０１を透過し（光線４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄで示されているように）、光線４０５ｅとして存在する。反射光線４０７ａは、反射体３０５、光空洞共振器３０４、吸収体３０３、電極３０２、および基材３０１を透過し（光線４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄ、４０６ｅで示されているように）、光線４０５ｆとして存在する。
【００５７】
図１を参照しつつ説明されているように、層３０１の上面の上で測定されたＩＭＯＤ構造から反射された光の強度および波長は、反射光線のそれぞれの振幅および位相が両方とも考慮されるようにすべての反射光線４０２、４０３ｂ、４０４ｃ、４０５ｄ、４０６ｅ、４０７ｆのコヒーレントな重ね合わせを含む。図４Ａに示されていない他の反射光線も、光線のコヒーレントな重ね合わせに含まれうる。同様に、ＩＭＯＤ構造内、例えば吸収体４０３内にある、任意の領域における光の全強度は、反射された波と透過された波の電界の強さに基づいて計算できる。したがって、与えられた層内の光の量または電界の強さが干渉原理を使用して増減されるようにそれぞれの層の厚さおよび材質を変えることによってＩＭＯＤを設計することが可能である。層の厚さおよび材質を変えることによって異なる層内の強度および電界の強さレベルを制御する方法を使用することにより、吸収体内の光の量、したがって吸収体によって吸収される光の量を増大または最適化することができる。
【００５８】
上記の説明は、光学的プロセスの近似である。より詳細な内容は、高次の分析に含めることができる。例えば、上述のように、１回の通過と発生した反射のみを上では説明した。もちろん、層のどれからでも反射された光は、再び、他の界面に向かって後方反射されうる。したがって、光は、光空洞共振器３０４を含む層のどれかの中で複数回伝搬する。これらの追加の反射の効果は、図４Ａには示されていないが、これらの反射は、コヒーレントな光の重ね合わせにおいて考えられる。したがって、光学的プロセスのより詳細な分析を実施することができる。数学的なアプローチも使用できる。例えば、システムをモデル化するためのソフトウェアを使用することができる。このようなソフトウェアのいくつかの実施形態は、反射および吸収を計算し、多変数条件付き最適化を実行することができる。
【００５９】
ＩＭＯＤスタック３００は、静的なものであってもよい。静的ＩＭＯＤスタックでは、さまざまな層の厚さおよび材質は、製造プロセスによって固定されている。静的ＩＭＯＤスタックのいくつかの実施形態は、エアーギャップを含む。他の実施形態では、例えば、エアーギャップの代わりに、光空洞共振器が、誘電体またはＩＴＯを含むことができる。しかし、静的ＩＭＯＤスタック３００によって出力される光は、視野角、そこに入射する光の波長、およびそこに入射するその特定の波長に対するＩＭＯＤスタックの視野面における干渉状態に依存する。対照的に、動的ＩＭＯＤスタックでは、光空洞共振器３０４の厚さは、例えば、ＭＥＭＳエンジンを使用してリアルタイムで変えることができ、これによって、ＩＭＯＤスタックの視野面における干渉状態を変える。静的ＩＭＯＤスタックと同様に、動的ＩＭＯＤスタックによって出力される光も、視野角、光の波長、およびＩＭＯＤスタックの視野面における干渉状態に依存する。図４Ｂおよび４Ｃは、動的ＩＭＯＤを示している。図４Ｂは、「開放」状態にあるように構成されたＩＭＯＤを示し、図４Ｃは、「閉鎖」または「折り畳み」状態にあるように構成されたＩＭＯＤを示している。図４Ｂおよび４Ｃに示されているＩＭＯＤは、基材３０１、薄膜層３０３、および反射膜３０５を備える。反射膜３０５は、金属を含むことができる。薄膜層３０３は、吸収体を含みうる。薄膜層３０３は、追加の電極層および／または誘電体層を含むことができ、したがって、薄膜層３０３は、いくつかの実施形態では多層として説明することができる。いくつかの実施形態では、薄膜層３０３は、基材３０１に付着させることができる。「開放」状態では、薄膜層３０３は、ギャップ３０４によって反射膜３０５から分離される。いくつかの実施形態では、例えば、図４Ｂに示されているように、ギャップ３０４は、エアーギャップとしてよい。「開放」状態では、ギャップ３０４の厚さは、例えば、いくつかの実施形態において１２０ｎｍから４００ｎｍまでの間で変化しうる（例えば、約２６０ｎｍ）。いくつかの実施形態では、ＩＭＯＤは、薄膜スタック３０３と反射膜３０５との間に電位差を印加することによって「開放」状態から「閉鎖」状態に切り替えることができる。「閉鎖」状態では、薄膜スタック３０３と反射膜３０５との間のギャップは、「開放」状態のギャップの厚さより小さい。例えば、「閉鎖」状態のギャップは、いくつかの実施形態において３０ｎｍから９０ｎｍまでの間で変化しうる（例えば、約９０ｎｍ）。一般的にエアーギャップの厚さは、約０ｎｍから約２０００ｎｍまでの間、例えば、いくつかの実施形態において「開放」状態と「閉鎖」状態との間で変化しうる。他の厚さも、他の実施形態において使用できる。
【００６０】
「開放」状態では、入射光の１つまたは複数の周波数は、図４Ａを参照しつつ説明されているように基材３０１の表面の上で建設的に干渉する。したがって、入射光のいくつかの周波数は、ＩＭＯＤ内に実質的に吸収されず、代わりに、ＩＭＯＤから反射される。ＩＭＯＤから反射されて出てくる周波数は、ＩＭＯＤの外部で建設的に干渉する。基材３０１の表面を見ている観察者によって観察される表示色は、ＩＭＯＤから実質的に反射され、ＩＭＯＤのさまざまな層によって実質的に吸収されない周波数に対応する。建設的に干渉し、実質的に吸収されない周波数は、ギャップの厚さを変えることによって変えることができる。ＩＭＯＤの反射および吸収スペクトルならびに本明細書のいくつかの層の吸収スペクトルは、「開放」状態の場合にＩＭＯＤ上に法線入射する光について図５Ａ〜５Ｄに示されている。
【００６１】
図５Ａは、光が法線入射でＩＭＯＤ上に向けられた場合に法線入射で見た波長の関数として「開放」状態のＩＭＯＤ（例えば、図３のＩＭＯＤ  ３００）の全反射のグラフを示している。全反射のグラフは、約５５０ｎｍの反射ピークを示す（例えば、黄色）。ＩＭＯＤを見ている観察者からは、ＩＭＯＤは黄色に見える。前述のように、全反射曲線のピークの配置は、エアーギャップの厚さを変えるか、またはスタック内の１つまたは複数の他の層の材質および／または厚さを変えることによってシフトできる。例えば、全反射曲線は、エアーギャップの厚さを変えることによってシフトできる。図５Ｂは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの全吸収のグラフを示している。全吸光度曲線は、反射ピークに対応する約５５０ｎｍのところに谷を示す。図５Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの吸収体層（例えば、図３の層３０３）の吸収のグラフを示している。図５Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの反射体層（例えば、図３の層３０５）の吸収を示している。反射体によって吸収されるエネルギーは低い。全吸収曲線は、他の層における吸収が無視できるくらい小さい場合のＩＭＯＤ  ４００の吸収体部分における吸収曲線とＩＭＯＤの反射体部分における吸収曲線の足し合わせによって得られる。ＩＭＯＤスタック内の透過は、低い反射体（例えば、図３の３０５）が実質的に厚いため、実質的に無視できるくらい小さいことに留意されたい。
【００６２】
図４Ｃを参照すると、「閉鎖」状態では、ＩＭＯＤは薄膜スタック３０３内の入射可視光のほとんどすべての周波数を吸収する。ごくわずかの量の入射光しか反射されない。基材３０１の表面を見ている観察者から見える表示色は、一般的に、いくつかの実施形態において黒色、赤みを帯びた黒色、または紫色としてよい。薄膜スタック３０３内に吸収される周波数は、ギャップの厚さを変えることによって変えることができるか、または「同調させる」ことができる。
【００６３】
ＩＭＯＤに対し法線方向で見た法線入射光に対する「閉鎖」状態のＩＭＯＤのさまざまな層のスペクトル応答が、図６Ａ〜６Ｄに示されている。図６Ａは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの全反射対波長のグラフを示している。全反射は波長帯全域において一様に低いことが観察される。したがって、ごくわずかの光が、干渉変調器から反射されて出てくる。図６Ｂは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの全吸光度のグラフを示している。全吸光度曲線は、全反射のグラフに対応する波長帯全域にわたってほぼ一様な吸光度を示す。図６Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたる吸収体層の吸収のグラフを示している。図６Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの反射体層の吸収を示している。図６Ａから、「閉鎖」状態では、ＩＭＯＤは図５Ａの全反射に比べて比較的低い全反射を示すことに留意されたい。それに加えて、ＩＭＯＤは、「開放」状態（図５Ｂおよび図５Ｃ）と対照的に「閉鎖」状態（それぞれ図６Ｂおよび図６Ｃ）では吸収体層中で比較的高い全吸光度および吸光度を示す。反射体吸収は、ＩＭＯＤは「開放」状態（図５Ｄ）にあるか、または「閉鎖」状態（図６Ｄ）にある場合の両方において、ＩＭＯＤ内で比較的低い。したがって、電界の強さの大半は、光が吸収されている吸収体層内において生じる。
【００６４】
一般に、ＩＭＯＤスタックは、設計段階で考慮されうる視野角依存性を持つ。より一般的には、ＩＭＯＤの分光感度特性は、入射角および視野角に依存しうる。図７Ａ〜７Ｄは、入射角または視野角がスタックの法線方向に対して３０度である場合に、「開放」状態のＩＭＯＤに対するモデル化された吸光度および反射対波長を示す一連のグラフである。図７Ａは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの全反射対ＩＭＯＤに対する波長のグラフを示している。全反射のグラフは、約４００ｎｍの反射ピークを示す。図７Ａおよび図５Ａを比較すると、入射角または視野角が法線入射から３０度まで変化する場合に、全反射対波長のグラフが波長軸にそってシフトすることがわかる。図７Ｂは、ＩＭＯＤに対する約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたる全吸光度のグラフを示している。全吸光度曲線は、反射ピークに対応する約４００ｎｍのところに谷を示す。図７Ｂおよび図５Ｂを比較すると、入射角または視野角が法線入射から３０度まで変化する場合に、これもまた、吸収曲線の谷が波長軸にそってシフトすることがわかる。図７Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの吸収体（例えば、図３の３０３）の吸収のグラフを示している。図７Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの反射体（例えば、図３の３０５）の吸収を示している。
【００６５】
図８Ａ〜８Ｄは、入射角または視野角が３０度である場合に、「閉鎖」状態の図４ＡのＩＭＯＤに対するモデル化された吸光度および反射対波長を示す一連のグラフである。図８Ａは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの全反射対ＩＭＯＤに対する波長のグラフを示している。全反射は波長帯全域において一様に低いことが観察される。したがって、ごくわずかの光が、干渉変調器から反射されて出てくる。図８Ｂは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたる全吸光度のグラフを示している。全吸光度曲線は、全反射のグラフに対応する波長帯全域にわたってほぼ一様な吸光度を示す。図８Ｃは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたる吸収体層の吸収のグラフを示している。図８Ｄは、約４００ｎｍから８００ｎｍまでの波長帯にわたるＩＭＯＤの反射体層の吸収を示している。図６Ａ〜６Ｄと図８Ａ〜８Ｄを比較すると、「閉鎖」状態のＩＭＯＤの分光感度特性は、法線入射について、また入射角または視野角が３０度である場合に、ほぼ同じであることがわかる。したがって、「閉鎖」状態のＩＭＯＤの分光感度特性は、入射角または視野角に対する強い依存性を示さないと推論できる。
【００６６】
図９は、典型的な太陽電池セル９００を示している。典型的な太陽電池セルは、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。ＰＶセルは、カーボンフットプリントが小さく、また環境に対する影響度が低い再生可能なエネルギー源の一例である。ＰＶセルを使用することで、エネルギー生成コストを低減し、可能な費用便益をもたらすことできる。
【００６７】
ＰＶセルは、例えば、郵便切手より小さいサイズから差し渡し数インチまでのさまざまなサイズおよび形状を有することができる。いくつかのＰＶセルを接続して、長さ数フィート、幅数フィートまでの大きさのＰＶセルモジュールを形成することができる。これらのモジュールは、電気的接続部、取り付け金具、電力調整装置、および日が照っていない場合に使用するため太陽エネルギーを貯蔵する電池を備えることができる。次いで、モジュールを組み合わせて接続することで、異なるサイズおよび出力を持つＰＶセルを形成することができる。１つのアレイのサイズは、特定の場所で利用可能な日光の量および消費者のニーズなど、複数の要因によって決まる。
【００６８】
光電セルは、光電セルからの電力出力および太陽電池セルに入射する光パワーを測定し、その比を計算することによって決定されうる総合エネルギー変換効率（η、「エータ」）を有する。一慣例によれば、太陽電池セルの効率は、標準日射（「エアーマス１．５」と呼ばれる）に曝露される表面積１ｍ２を有する光電セルによって生成されるピーク電力量（ワット）の比で与えることができる。標準日射は、晴れの春分の日または秋分の日の正午の赤道における日射の量である。標準日射は、１０００ワット／ｍ２の電力密度を有する。
【００６９】
典型的なＰＶセルは、２つの電極間に配設された活性領域を有し、反射体を備えることができる。反射体は、いくつかの実施形態では、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％以上を超える反射率を有することができる。反射体は、他の実施形態では、それより低い反射率を有することができる。例えば、この反射率は、１０％、２０％、３０％、４０％以上としてよい。いくつかの実施形態では、ＰＶセルは、それに加えて、基材も備える。基材は、活性層および電極を支持するために使用されうる。例えば、活性層および電極は、光起電力デバイスの加工時および／またはそれ以降に基材上に堆積され、基材によって支持される薄膜を備えることができる。ＰＶセルの活性層は、シリコンなどの半導体材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、活性領域は、図９に示されているようにｎ型半導体材料９０３およびｐ型半導体材料９０４を接触させることによって形成されるｐｎ接合を含むことができる。このようなｐｎ接合は、ダイオードに似た特性を有し、したがって、フォトダイオード構造とも称される場合もある。
【００７０】
層９０３および９０４は、電流路を形成する２つの電極の間にサンドイッチ状に挟まれる。背後電極９０５は、アルミニウムもしくはモリブデンまたは他の何らかの導電性材料から形成することができる。背後電極は、粗く、未研磨のものでよい。前面電極９０１は、接触抵抗を低くし、収集効率を高めるためにｐｎ接合の前面の大部分を覆うように設計される。前面電極が、不透明材料で形成される実施形態では、前面電極は、ｐｎ接合の表面に照明光が当たるように穴またはギャップを有するように構成されうる。そのような実施形態では、前面電極は、グリッドであるか、または叉または指の形状に構成されうる。他のいくつかの実施形態では、電極は、透明導電体、例えば、酸化スズ（ＳｎＯ２）またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）から形成されうる。ＴＣＯは、良好な電気的接触および伝導性をもたらし、それと同時に、入光に対し光学的透過性を有することができる。いくつかの実施形態では、ＰＶセルは、前面電極９０１上に配設された反射防止（ＡＲ）コーティング９０２の層を備えることができる。ＡＲコーティング９０２の層は、図９に示されているｎ型層９０３の表面から反射される光の量を低減することができる。
【００７１】
ｐｎ接合の表面に光が照射されると、光子がエネルギーを活性領域内の電子に伝達する。光子によって伝達されるエネルギーが半導体材料のバンドギャップより大きい場合、電子は、伝導帯に入る十分なエネルギーを有しているものとしてよい。ｐｎ接合の形成とともに、内部電界が発生する。内部電界は、励起された電子に作用して、それらの電子を移動し、それにより、外部回路９０７内に電流を発生させる。その結果生じる電流は、図９に示されているように電球９０６などの各種の電気デバイスに電力を供給するために使用できる。
【００７２】
光パワーが電力に変換される効率は、上述のような総合効率に対応する。総合効率は、活性層によって光が吸収される効率に少なくとも一部は依存する。この効率、ここでは吸収効率と称される効率ηａｂｓは、活性層中の屈折率ｎ、消光係数ｋ、および電界振幅の２乗｜Ｅ（ｘ）｜２に比例し、これは式
ηａｂｓ∝ｎ×ｋ×｜Ｅ（ｘ）｜２
で表される。
【００７３】
値ｎは、複素屈折率の実数部である。吸収係数または消光係数ｋは、一般的に、複素屈折率の虚数部である。したがって、吸収効率ηａｂｓは、層の材料特性および層（例えば、活性層）中の電界強度に基づいて計算できる。特定の層に対する電界強度は、本明細書では、平均電界強度と称することができ、これは特定の層の厚さにわたって電界強度を平均したものである。
【００７４】
上述のように、活性層内に吸収された光は、自由キャリア、例えば、電子−正孔対を生成し、これを電力供給に使用できる。総合効率または総合変換効率は、活性材料中に発生する電子と正孔が電極によって収集される効率に少なくとも一部は依存する。この効率は、本明細書では収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎと称される。したがって、総合変換効率は、吸収効率ηａｂｓおよび収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの両方に依存する。
【００７５】
ＰＶセルの吸収効率ηａｂｓおよび収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎは、さまざまな要因に依存する。例えば、電極層９０１および９０５に使用される厚さおよび材質は、吸収効率ηａｂｓおよび収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの両方に同時に影響を及ぼしうる。それに加えて、ＰＶ材料９０３および９０４で使用される厚さおよび材質は、吸収効率および収集効率に影響を及ぼしうる。
【００７６】
総合効率は、プローブまたは伝導性リードを電極層９０１および９０５に付けることによって測定することができる。総合効率は、光起電力デバイスのモデルを使用して計算することもできる。
【００７７】
本明細書で使用されているように、これらの効率は、標準日射−エアーマス１．５−に対するものである。また、電界、吸収効率などは、太陽スペクトルにわたって波長について積分できる。太陽スペクトルは、よく知られており、太陽によって放射される光の波長を含む。これらの波長は、可視波長、紫外線波長、および赤外線波長を含む。いくつかの実施形態では、電界、吸収効率、総合効率などは、太陽スペクトルの一部、例えば、可視域の波長、赤外線域の波長、または紫外線域の波長にわたって積分される。いくつかの実施形態では、電界、吸収効率、総合効率などは、それよりも小さい波長帯、例えば、１０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、または６００ｎｍなどの帯域幅を有する波長帯にわたって計算される。
【００７８】
いくつかの実施形態では、図９に示されているｐｎ接合は、真性半導体または非ドープ半導体層がｐ型半導体とｎ型半導体との間にサンドイッチ状に挟まれるｐｉｎ接合で置き換えることができる。ｐｉｎ接合は、ｐｎ接合に比べて高い効率を持つことができる。いくつかの他の実施形態では、ＰＶセルは、多接合部を備えることができる。
【００７９】
活性領域は、結晶シリコン（ｃ−シリコン）、非晶質シリコン（α−シリコン）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、二セレン化銅インジウム（ＣＩＳ）、二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、光吸収色素およびポリマー、光吸収ナノ粒子が中に配設されているポリマー、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ属半導体などのさまざまな光吸収材料から形成されうる。他の材料も使用することができる。光子が吸収され、光子がエネルギーを例えば電子に伝達する光吸収材料は、本明細書では、ＰＶセルの活性層と称される。活性層用の材料は、ＰＶセルの所望の性能および用途に応じて選択できる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、ＰＶセルは、薄膜技術を使用することによって形成することができる。例えば、一実施形態では、ＰＶセルは、基材上にＴＣＯの第１の層を堆積することによって形成されうる。活性材料（または光吸収材料）の層が、第１のＴＣＯ層上に堆積される。第２のＴＣＯ層は、活性材料の層の上に堆積されうる。いくつかの実施形態では、ＡＲコーティングの層を第２のＴＣＯ層の上に堆積して被せることができる。これらの層は、物理気相成長法、化学気相成長法、電気化学気相成長法などの成長法を使用して堆積することができる。薄膜ＰＶセルは、薄膜多結晶シリコン、ＣＩＳ、ＣｄＴｅ、またはＣＩＧＳなどの多結晶材料を含むことができる。薄膜ＰＶセルのいくつかの利点として、とりわけ、デバイスフットプリントが小さいこと、および製造プロセスの拡張性のよいことが挙げられる。
【００８１】
図１０は、典型的な薄膜ＰＶセル１０００の概略を示すブロック図である。典型的なＰＶセル１０００は、光が通過できるガラス基材１００１を含む。ガラス基材１００１上に配設されるのは、第１の透明電極層１００２、非晶質シリコンを含むＰＶ材料の層１００３、第２の透明電極層１００５、およびアルミニウムまたはＭｏ、Ａｇ、Ａｕなどの何らかの他の金属を含む反射体１００６である。第２の透明電極層１００５は、ＩＴＯを含むものとしてよい。活性材料の一部をドープして、ｎ型領域およびｐ型領域を形成し、活性材料の一部を非ドープとして、ｐｉｎ構造を形成することができる。一設計において、第１の透明電極層の厚さは、約９００ｎｍとすることができ、ＰＶ材料の厚さは、約３３０ｎｍとすることができる。一設計において、第２の透明電極層１００５は、厚さ約８０ｎｍを有し、反射体１００６は、厚さ約３００ｎｍを有する。例示されているように、第１の透明電極層１００３および第２の透明電極層１００５は、その間に非晶質シリコン層１００３をサンドイッチ状に挟む。反射体層１００６は、第２の透明電極層１００５上に配設される。ＰＶセル内では、光子が、活性または吸収体層内に吸収され、吸収された光子の一部が、電子−正孔対を生成することができる。
【００８２】
図１０と図３を比較すると、ＩＭＯＤの構造と典型的ＰＶデバイスに類似性のあることがわかる。例えば、図３に示されているＩＭＯＤおよび図１０に示されているＰＶセルは、それぞれ、複数の層を含む積層構造を備える。ＩＭＯＤとＰＶデバイスは両方とも、基材（例えば、図３の３０１および図１０の１００１）上に配設された光吸収層（例えば、図３の３０３および図１０の１００３）も備える。光吸収層は、ＩＭＯＤとＰＶセルの両方について類似の特性を有するように選択できる。図３のＩＭＯＤと図１０のＰＶセルは両方とも、反射体（例えば、図３の３０５および図１０の１００６）を備える。したがって、そのさまざまな層内に電界の所望の分布を形成し、その結果出力が得られるようにＩＭＯＤを同調する機能をＰＶデバイスに付与することができると考えられる。例えば、光空洞共振器を、ＰＶデバイスを同調するために活性層（例えば、図１０の光吸収層１００３）の下に入れて、活性または吸収層１００３を除くすべての層内の吸収を減じ、活性または吸収層１００３内の吸収を高めるようにすることができ、ある意味、ＩＭＯＤはＰＶセル内に組み込まれる、またはその逆に組み込まれると言える。
【００８３】
図１０に示されているような従来のＰＶセルでは、ＰＶ材料層１００３内の吸収は、従来、層１００５の導入によって増強されると考えられていた。したがって、第２の透明電極１００５は、反射増強層と称されていた。また、活性層内の吸収は、第２の透明電極１００５の厚さに比例して増大するというのが従来の考え方である（例えば、非特許文献１を参照）。一般に、層１００５を含めると、反射体層１００６の反射は増大しない。さらに、活性層内の吸収は、必ずしも、従来考えられていたように第２の透明電極層１００５の厚さに比例して増大するわけではない。以下に示されるように、一般に第１の電極層１００２と第２の電極層１００５の厚さは、吸収が最大化される最適点を持つことができる。
【００８４】
それに加えて、いくつかの従来の設計では、電極層１００５および反射体層１００６の厚さは、ＰＶセルから反射された光の総量を最小にするように変えられる。光がＰＶセルから反射されない場合に、この光は吸収され、光起電力デバイスの総合効率は増大すると仮定する。この目的のために、反射体１００６の表面を粗面化して拡散を増大し、反射体からの正反射を低減することができる。これらの方法を用いれば、黒色に見えるＰＶセルを生産できる可能性がある。しかし、ＰＶデバイスからの反射を低減し、黒色に見えるＰＶセルを生産することを対象とする上述の方法は、吸収または活性層１００３内の吸収を増大するのに不十分な場合があり、したがって、光起電力デバイスの効率を増大するのに不十分な場合がある。
【００８５】
ＰＶセルの効率を増大するためのこのような従来のアプローチの成功は、限定的であった。しかし、上述のように、干渉原理を使用することで、ＰＶデバイス内の１つまたは複数の層を「同調」し、ＰＶセルを最適化して、これにより、より多くの光が吸収層１００３によって吸収されうるようにできる。例えば、ＩＭＯＤの設計で使用される干渉の原理は、ＰＶセルの加工に応用することができる。活性層内に電界共振を発生する光空洞共振器は、ＰＶセル内に含めることができ、これにより、活性層内の電界強度および吸収を増大させることができる。例えば、図示されているように、活性層（または光吸収層１００３）内の吸収を増大するために、第２の透明電極層１００５を、エアーギャップまたはＳｉＯ２などの透明非伝導性誘電体を含む光空洞共振器で置き換えるとよい。透明電極層１００５を光空洞共振器で置き換えても、反射体の反射は必ずしも増強されないが、しかし、光空洞共振器は、活性層内の吸収を干渉で増大させることができる低吸収層を含む。
【００８６】
太陽電池セルの効率を増大できる方法を明らかにするために、図１１Ａに示されている従来の太陽電池セルについて調べる。図１１Ａは、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２「ＣＩＧＳ／ＣｄＳ」ＰＶスタックを含むＰＶを示している。ＰＶセルは、ＩＴＯまたはＺｎＯ伝導電極層１１０１、ＣｄＳを含むｎ型材料の層１１０２、ＣＩＧＳを含むｐ型材料の層１１０３、Ｍｏを含む反射体層１１０４、およびガラス基材１１０５を備える。上で説明されているように、図１１Ａに示されているＰＶセルの効率は、ＩＭＯＤ構造およびＩＭＯＤで利用されている干渉の原理をＰＶセルに組み込むことによって増大することができる。これは、図１１Ｂ〜１１Ｈに示されているように静的または動的光共振層を導入することによって実現されうる。さまざまな実施形態において、光共振層は活性層内に電気共振を引き起こし、これにより、その中において平均電界が高められる。以下の説明では、わかりやすくするため以下の命名規約が採用される。吸収層と反射体層との間にサンドイッチ状に挟まれている光共振層は、「光空洞共振器」と称されるが、スタック内の別のところに配設されている光共振層は、「光共振層」と称される。空洞または層を記述する「共振（ｒｅｓｏｎａｎｔ）」と「共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）」という用語は入れ換えて使用することができる。
【００８７】
図１１Ｂでは、ＩＴＯを含む光空洞共振器１１０６は、活性または吸収材料（層１１０２および１１０３）と反射体層１１０４との間にサンドイッチ状に挟まれる。図１１Ｃに示されている実施形態では、光空洞共振器１１０６は、中空領域を備える。図１１Ｃに示されているいくつかの実施形態では、中空領域は、空気または他の気体を含む。ＩＴＯ層をエアーギャップで置き換えると、活性層を除くすべての層（例えば、光空洞共振器を含む）内の吸収を低減することができる。したがって、いくつかの実施形態について、光空洞共振器の材質の選択は、重要な事項である場合がある。例えば、光空洞共振器が図１１Ｄに示されているような空気またはＳｉＯ２を含む実施形態では、図１１Ｂに示されているようなＩＴＯを含む光空洞共振器よりも、活性層中の吸収を高めることができる。図１１Ｂ〜１１Ｄに示されている実施形態は、光が伝搬する単一材料または媒質を含む光空洞共振器を備える。図１１Ｅ〜１１Ｈに示されているようなさまざまな実施形態では、干渉同調光起電力（ｉＰＶ）セルは、２つまたはそれ以上の層を含む複合光空洞共振器を備えることができる。例えば、図１１Ｅに示されている実施形態では、光空洞共振器は、ＩＴＯ層１１０６ａおよび空気層１１０６ｂを備える。図１１Ｆに示されている実施形態は、ＩＴＯ層１１０６ａおよびＳｉＯ２層１１０６ｂを含む複合光空洞共振器を備える。図１１Ｇに示されている実施形態は、ＳｉＯ２層１１０６ａおよびエアーギャップ１１０６ｂを含む複合光空洞共振器を備える。図１１Ｈに示されている実施形態は、ＩＴＯ層１１０６ａ、ＳｉＯ２層１１０６ｂ、およびエアーギャップ１１０６ｃを含みうる。したがって、さまざまな実施形態では、光空洞共振器および他の光共振層は、伝導性または非伝導性酸化物もしくは窒化物層などの１つまたは複数の透明伝導性または非伝導性材料を含みうる。他の材料も使用することができる。これらの層は、部分的透明であってもよい。
【００８８】
光空洞共振器（または層）は、いくつかの実施形態では動的なものとすることができる。図１１Ｉに示されているように、例えば、反射体層１１０７は、支柱１１０７を持つ活性層から分離することができる。反射体層１１０４は、移動可能なものとしてよく、特に、活性層に向かう方向に移動するか、または活性層から離れる方向に移動することができ、これにより、光空洞共振器の厚さを変えることができる。反射体層１１０４の移動は、反射体層１１０４とＩＴＯ層１１０１の間に電圧を印加して静電気力を発生させることによって引き起こすことができる。光空洞共振器は、動的に同調することができ、これにより、例えば、環境条件の変化とともに活性層の吸収特性を変えることができる。図１１Ｊは、光空洞共振器が、ＳｉＯ２の層１１０６ａおよびエアーギャップ１１０６ｂを含む複合空洞共振器である代替実施形態を示している。ＳｉＯ２を含む誘電体層１１０６ａは、閉鎖状態で電極１１０１、１１０４を電気的に絶縁する際に使用できる。ｉＰＶセルの吸収効率を増大するプロセスについて、以下で説明する。
【００８９】
一般に、光学積層体は、層と層との間のそれぞれの界面が入射光の一部を反射する複数の層を備えることができる。一般に、これらの界面では、入射光の一部を通す（最後の層である場合を除く）こともできる。図１２は、未指定の数の層を有する一般化されたｉＰＶデバイスのさまざまな層から反射される入射光を示している。ｉＰＶデバイスの層１２０１上に入射する電界Ｅｉによって特徴付けられる到来波は、図４Ａを参照しつつ上で説明されているように一部が反射され、一部が透過される。透過波は、図面の右の方へ伝搬する電界Ｅ１，ｒによって特徴付けられる。電界Ｅ’ｊ−１，ｒによって特徴付けられるこの波の一部は、層１２０２と１２０３の界面に入射する。このうちＥｊ，ｒによって特徴付けられる部分が、透過して吸収体層１２０３内に入る。透過された電磁波の一部が、吸収体１２０３内に吸収される。電界Ｅ’ｊ，ｒによって特徴付けられる波の吸入されていない部分が層１２０３と１２０４の境界に入射する。入射電界Ｅ’ｊ，ｒのＥｊ＋１，ｒによって特徴付けられる部分が、光空洞共振器１２０４内に透過される。到来波Ｅｉの電界Ｅｔによって特徴付けられる小さな部分は、金属導体／反射体１２０５が部分的透過性を有する場合にｉＰＶから透過して外へ出る。
【００９０】
さまざまな層の界面において、入射電磁波の一部も同様に反射される。例えば、電界Ｅｊ＋１，１は、層１２０４および１２０５の境界から反射され、したがって図面の左の方へ伝搬する電界Ｅｊ＋１，ｒの部分を表す。同様に、電界Ｅ１ｊ，１、Ｅｉ，１’、Ｅ’ｊ−１，１、およびＥ１，１は、層１２０１の方に向かってｉＰＶデバイス内を伝搬する波を表す。反射波Ｅｒは、ｉＰＶデバイスのさまざまな層から反射された波の重ね合わせによって与えられる。与えられた界面を出入りする電界は、行列法と値を用いて、さまざまな界面に対する反射係数および透過係数、またそれらの層を横断することで生じる位相について計算することができる。与えられた層、例えば、活性層内の電界が判明した後、その中の吸収を決定することができる。ポインティングベクトルの時間平均をとった大きさ、または吸収体層１２０３内に入り、例えばその吸収体層から出て来る時間平均をとったエネルギー束（単位法線面積当たりの時間平均パワー）を計算することができる。したがって、吸収体層１２０３によって吸収される総パワーは、吸収体層１２０３から出るパワーの量を吸収体層１２０３内に入る総パワーから差し引くことによって計算されうる。さまざまな実施形態において、吸収体層１２０３に入るポインティングベクトルの時間平均をとった大きさと吸収体層１２０３から出て来るポインティングベクトルの時間平均をとった大きさとの比を高めることで、ｉＰＶデバイスの効率を増大することができる。
【００９１】
ｉＰＶセルの任意の層、例えば、吸収体層内に吸収されるパワーは、上述のようにｉＰＶスタック全体に依存しうる。ｉＰＶセルの層内に吸収されるエネルギーの量は、層の屈折率ｎ、層の消光係数ｋ、層内の電界振幅の２乗｜Ｅ（ｘ）｜２、および層の厚さｔに正比例する。ｉＰＶデバイス内のエネルギー吸収を増大または最適化するアプローチの１つは、吸収体層の周りを囲む層内に吸収されるエネルギーの量を減らし、吸収体層内に吸収されるエネルギーの量を増やすことである。吸収体層の周りを囲む層内に吸収されるエネルギーの量は、例えば、ｎ×ｋの値が低い材料を選択し、周囲の層の厚さを減らすか、または周囲の層内の電界の強さを低減することによって、またはこれらのアプローチの任意の組み合わせによって減らすことができる。例えば、一最適化法では、以下の１つまたは複数を使用して、ｉＰＶセルの吸収体層内の電界を増大することができる。Ａ）活性層に到達する反射電界および透過電界が建設的に干渉するようにｉＰＶスタックのさまざまな層の材質および厚さを調節することができる。Ｂ）活性層以外のｉＰＶデバイスの層内の電界の強さは、例えば、少なくとも一部は破壊的干渉からの結果として低減できる。Ｃ）例えば、適切な位相シフトおよび反射をもたらす望ましい、または最適な屈折率ｎ、および低屈折率ｎおよび／または低消光係数定数ｋを有する光空洞共振器用の材料を、活性層のバンドギャップに対応する波長に対し光空洞共振器の吸収が低くなるように選択し、これにより光空洞共振器によって吸収される、活性層によって電気エネルギーに変換される光が少なくなる。いくつかの実施形態では、光空洞共振器の組成および厚さは、例えば、活性層のバンドギャップに相当するエネルギーを有する波長について、吸収体内の電界が増大するような組成および厚さとすることができる。Ｄ）より一般的には、例えば、活性層のバンドギャップに相当するエネルギーを有する波長に対して、屈折率ｎと消光係数ｋとの積が低い材料を、活性層以外の層に使用することができる。活性層以外のｉＰＶデバイスの層内の電界の強さを低減し、および／またはそれらの層内で低い屈折率および／または消光係数ｋを持つ材料を使用して吸収を減らすことによって、ｉＰＶデバイスの活性または吸収体層を除くすべての層におけるエネルギー吸収を低減することができる。Ｅ）低いｎおよび／またはｋ値を持ち、したがって吸収が低い材料も、特に、電界の強さが大きい活性層以外の層において使用することができる。
【００９２】
活性または吸収体層内で吸収が大きくなるようにｉＰＶデバイスを最適化するために、干渉効果を通じて、活性領域内の光の強度を高めるように光空洞共振器の厚さを選択することができる。いくつかの実施形態では、光空洞共振器内のギャップの厚さは、モデリングソフトウェアおよび数値解析ルーチンを使用してｉＰＶセルの設計段階において選択または最適化される。光空洞共振器内のギャップの厚さは、図１１Ｂ〜１１ＦのＩＭＯＤ組み込みＰＶセル構造内にＭＥＭＳエンジンまたはプラットフォームをさらに組み込むことによってリアルタイムで動的に変えることもできる。（例えば、図１１Ｇおよび１１Ｈを参照）。しかし、さまざまな実施態様において、ギャップは固定される。いくつかの実施形態では、活性層の厚さも、活性または吸収体層の吸収効率を高めるために光空洞共振器の厚さを変更または最適化することに加えて変更または最適化することができる。
【００９３】
図１３は、ｉＰＶデバイス１３００を加工する方法の一実施形態を示す流れ図である。このプロセスは開始状態１３０２から始まり、次いで、状態１３０４に移動し、そこで、ｉＰＶデバイス設計者が一組の設計特性および／または加工制約条件を識別する。ｉＰＶデバイスは、複数の層を含む光学積層体を備える。一般に、層は、活性層と光共振層（例えば、光空洞共振器）とを備える。追加の層としては、例えば、電極、および電気的絶縁層を含みうる。いくつかの実施形態では、光共振層は、電極、電気的絶縁層、または活性層内の吸収を増大することに加えて他の機能を有する層を備える。これらの層のどれかのさまざまなパラメータ（例えば、厚さ、材質）は、１つまたは複数の理由から制約される必要がある場合がある。設計特性および／または加工制約条件としては、例えば、収集された電子が不活性層内において熱さらには吸収で散逸するのではなく電力に使用されるような１つまたは複数の電極層の面内抵抗が挙げられる。さらに、活性層内の吸収は、スタック内のすべての層の厚さ、ならびに使用される特定の材料の両方に依存するため、制約される（複数の）層のそのような材料および層の厚さは、いくつかの実施形態では慎重に選択される。
【００９４】
次いで、この方法は、状態１３０６に移動し、そこで、活性層の効率（例えば、吸収効率）を増大するように、制約されていないパラメータが選択または最適化される。一実施形態では、効率を最適化するステップは、少なくとも１つの設計特性に基づいて効率の最大値を識別するステップを含む。いくつかの実施形態では、特定の波長または波長帯（例えば、太陽スペクトル、可視スペクトル、赤外線スペクトル、紫外線スペクトル）について、効率が最適化されうる。この範囲は、少なくとも幅１００ｎｍ、幅２００ｎｍ、幅３００ｎｍ、幅４００ｎｍ、幅５００ｎｍ、幅６００ｎｍなどとすることができる。特定の波長または波長帯における特定の層内の吸収を増大または最適化するためのプロセスは、光学積層体内の層のすべてまたは大半に基づく計算を伴いうる。いくつかの実施形態では、それぞれ層状材料の正確な厚さを計算して、特定の波長または特定の波長帯に対する活性層内の吸収を増大または最適化することができる。
【００９５】
いくつかの実施形態では、層は、薄膜層を含む。したがって、これらの層は、設計プロセスにおいて薄膜として処理される。「薄膜」は、入射光のコヒーレンス長未満の厚さ、または入射光のコヒーレンス長程度の厚さ、例えば、厚さ５０００ｎｍ未満を有することができる。薄膜については、複数の反射の結果生じる強度レベルを決定するためにコヒーレントな重ね合わせと称されるものにおいて光の位相が考慮される。上述のように、活性層の吸収効率は、ｉＰＶデバイスの複数の界面からの反射のコヒーレントな足し合わせの分析を用いて最適化されうる。いくつかの実施形態では、そのようなコヒーレントな足し合わせを使用して、所定の層から入力および出力されるエネルギーを計算し、層内の、例えば活性層内の吸収を決定し、また同様に、その吸収効率を決定する。このプロセスではポインティングベクトルを使用できる。方法の他のステップは、従来の光起電力デバイス内の層の削除または置き換えを含むこともできる。
【００９６】
いくつかの実施形態では、総合効率は、吸収効率ηａｂｓを増大または最適化することによって増大または最適化することができる。しかし、上述のように、総合吸収効率ηｏｖｅｒａｌｌは、光が活性層内に吸収されて電子−正孔対を形成する効率ηａｂｓおよび電子−正孔対が電極によって収集される効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの両方に依存する。
【００９７】
干渉原理を使用すると、上で定義されているパラメータηａｂｓおよびηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの一方または両方を増大または最適化することによって総合変換効率ηｏｖｅｒａｌｌを増大または最適化することができる。例えば、いくつかの実施形態では、吸収効率ηａｂｓは、収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎを考慮しなくても最適化または最大化できる。しかし、吸収効率ηａｂｓを増大または最適化するように変更されたパラメータは、収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎにも影響を及ぼしうる。例えば、電極の厚さまたは活性層の厚さは、活性層内の吸収を高めるように変更することができるが、ただし、この厚さ調節は、収集効率にも影響を及ぼすことがある。したがって、いくつかの実施形態では、収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎおよび吸収効率ηａｂｓが両方とも、総合効率ηｏｖｅｒａｌｌを増大または最適化するように考慮され、および／または最適化される。いくつかの他の実施形態では、吸収効率ηａｂｓおよび収集効率ηｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎは、総合効率ηｏｖｅｒａｌｌを最大化するように再帰的に最適化できる。他の因子も、最適化プロセスに含めることができる。いくつかの実施形態では、例えば、ｉＰＶデバイスの総合効率を最適化するステップは、１つまたは複数の不活性層内の熱放散または吸収に基づきうる。
【００９８】
次いで、この方法は状態１３０８に進み、そこで、加工制約条件および最適化された要素に従って光起電力デバイスが加工される。設計者が状態１３０８を完了した後、この方法は、終了状態１３１０で終了する。光起電力デバイスを改善または最適化するために、他のステップを含めることができることは理解されるであろう。
【００９９】
図１４は、図１１Ａ〜１１Ｃで説明されている実施形態のそれぞれについての約４００ｎｍから約１１００ｎｍまでの波長領域内のモデル化された吸収のグラフを示している。曲線１４０１は、図１１Ａに示されている実施形態に対する吸収体層１１０３における吸光度である。曲線１４０２は、図１１Ｂに示されている実施形態に対する吸収体層１１０３における吸光度である。曲線１４０３は、図１１Ｃに示されている実施形態に対する吸収体層１１０３における吸光度である。図１４に示されているように、曲線１４０２によれば、約５５０ｎｍに等しい波長において図１１Ｂに示されている実施形態の吸収体層内のモデル化された吸収は、曲線１４０１に示されている図１１Ａの実施形態の吸収体層内の対応するモデル化された吸収値より約２８％高い。さらに、曲線１４０３によれば、約５５０ｎｍに等しい波長において図１１Ｃに示されている実施形態の吸収体層内のモデル化された吸収は、曲線１４０１に示されている図１１Ａの実施形態の吸収体層内の対応するモデル化された吸収値より約３５％高い。したがって、光空洞共振器を備える図１１Ｂおよび１１Ｃに示されている実施形態は、図１１Ａに示されている実施形態と比較して活性領域内で約１０％〜３５％の吸収の改善を示す。曲線１４０２および１４０３を比較すると、図１１Ｂに示されている光空洞共振器においてＩＴＯ層を備える実施形態と図１１Ｃに示されている光空洞共振器において空気またはＳｉＯ２を含む実施形態との間で、図１１Ｃに示されている実施形態は、吸収体層１１０３において高い吸収を有することがわかる。この結果は、以下のように説明することができる。活性層または吸収体層における電界の強さは高い。吸収体層の外側の光空洞共振器層における電界は、急激に低下するが、ゼロにはならない。ＩＴＯの屈折率ｎと消光係数ｋとの積は、吸収体層のバンドギャップに相当するエネルギーを有する波長（例えば、３００ｎｍから８００ｎｍの間の波長）において低いが、吸収体層のバンドギャップに相当するエネルギーを有する波長における空気またはＳｉＯ２の屈折率ｎと消光係数ｋとの積より低くない。したがって、光空洞共振器内のＩＴＯ層は、空気（またはＳｉＯ２）層に比べて著しく電磁波を吸収する。この結果、吸収体層の吸収が減少する。曲線１４０３において、最適化された場合に、図１１Ｃに示されている実施形態の活性層内のモデル化された吸収は、５００ｎｍから７００ｎｍまでの波長帯において約９０％であることがわかる。
【０１００】
図１５Ａは、単一のｐｉｎ接合非晶質シリコン太陽電池セル構造の線図を示している。このデバイスは、ＰＶセルが複数のＩＴＯ層（Ｍｉｒｏ  Ｚｅｍａｎによって開示されているＴＣＯ層およびＺｎＯ層を置き換える）を含むことを除き、非特許文献２の第５章で開示されているものに類似している。図１５Ａに示されている実施形態は、織り目加工されたガラス基材１５０１、厚さ約９００ｎｍの第１のＩＴＯ層１５０２、厚さ約３３０ｎｍのｐｉｎ接合を備え、そこでは、領域１５０４は、α：Ｓｉ、厚さ８０ｎｍの第２のＩＴＯ層１５０６、および厚さ３００ｎｍのＡｇまたはＡｌ層１５０７を備える。さまざまな層の厚さは、Ｍｉｒｏ  Ｚｅｍａｎによって開示されているスタック全体における全吸収が最大化されるように選択されたＭｉｒｏ  Ｚｅｍａｎによって開示されている厚さと一致する。この最大化は、ＰＶセルが黒く見えるまでさまざまな層の厚さを変えることによって達成された。全吸収対波長の関係が図１５Ｂに示されている。すべての波長が、ＰＶスタック内で一様に吸収されることがわかる。ＰＶデバイスからの全反射対波長の関係が図１５Ｃに示されている。ＰＶセルからの全反射は、低く、同様に、ＰＶセルは黒く見える。図１５Ｄは、ＰＶセルの吸収体または活性層１５０４における吸収を示している。図１５Ｅ〜Ｇは、第１のＩＴＯ層１５０２、第２のＩＴＯ層１５０６、およびＡｇもしくはＡｌ層１５０７における吸収を示している。図１５Ｄおよび１５Ｅに示されているように、活性層１５０４内に吸収される電磁波の量は、第１のＩＴＯ層１５０２内に吸収される電磁波の量にほぼ等しい。したがって、この設計は、さもなければ活性層１５０４によって電気エネルギーに変換されうるであろう光が代わりに第１のＩＴＯ層１５０２内に吸収されるので次善の設計なのである。第２のＩＴＯ層１５０６およびＡｇもしくはＡｌ層１５０７における吸収の量は、無視できるくらい小さい。
【０１０１】
しかし、図１５ＡのＰＶスタックは、上述のＩＭＯＤ設計の干渉原理を応用することによって最適化されうる。いくつかの実施形態では、ｐ、ｉ、およびｎ層に対する屈折率ｎおよび消光係数ｋの値は、互いに実質的に類似している可能性があり、ｐ、ｉ、およびｎ層は、最適化プロセスにおける３つの異なる層の組み合わされた厚さを有する単一層として考えることができる。一実施形態では、最適化は、活性層１５０４の厚さを一定に保ちつつ第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さを変えることで実行できる。図１６Ａは、活性または吸収体層内に吸収された積分エネルギー対第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さの関係を示す等高線図１６００を示している。図１６Ａ内のそれぞれの点は、第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さが対応するｘ（水平）軸とｙ（垂直）軸とによって与えられる場合の活性層内の積分吸収（波長領域にわたって積分された吸収）である。陰影が淡ければ淡いほど、活性層の全吸収は大きい。等高線図１６００において、第１のＩＴＯ層１５０２および第２のＩＴＯ層１５０６の厚さが、それぞれ、約５４ｎｍおよび９１ｎｍである場合に最大の吸収１６１０が得られる。したがって、第１のＩＴＯ層１５０２の厚さが、９００ｎｍから５４ｎｍまで著しく減少した場合に、増大された、または最適な吸収効率が生じる。図１６Ａのプロットは、従来の考え方とは反対に、活性層内の吸収が、ＩＴＯ層の厚さの増大と比例して増大しないことを示している。その代わりに、吸収は、厚さの変化に対し非線形に変化し、活性層内の吸収を最大にするＩＴＯの厚さに対し最適な厚さがありうる。活性層１５０４内の吸収の増大は、もっぱら第１のＩＴＯ層内に吸収される電磁波の量が著しく減ることによるものである。したがって、等高線図１６００は、特定の活性層１５０４内の吸収効率を高めるためにスタック内の電極層の望ましい、または最適な厚さを決定するのに使用できる。
【０１０２】
図１６Ｂは、最適化されたＰＶスタックの活性層内の吸収を示している。図１６Ａと図１５Ｄとを比較すると、最適化されたＰＶスタックの活性層内の吸収が、最適化されていないＰＶスタックの活性層内の吸収の２倍ほど増大していることがわかる。図１６Ｃは、最適化されたＰＶスタックにおける全吸収対波長の関係を示している。この吸収曲線は、赤色を中心とする波長領域の吸収が少ないことを示している。したがって、最適化されたＰＶスタックを見ている観察者は、ＰＶセルが最適化されていないＰＶスタックの完全に黒く見えるのとは反対に赤みを帯びた黒色に見えることを観察する。この例は、いくつかの実施形態において、黒色に見えるＰＶセルが、活性層内において最高の吸収量を必ずしも持たないことを明らかにしている。いくつかの実施形態では、活性層内の吸収量が多い場合、同伴するデバイスは完全な黒色以外の何らかの色を持つ。有利には、いくつかの実施形態において、上述のように、ＰＶ吸収体のエネルギーの吸収が増大すると、その結果、ＰＶセルの総合エネルギー変換効率が直線的に増大する。
【０１０３】
図１７は、図１１Ａに示されているデバイスと類似の光起電力デバイス１７００の線図を示している。図１７の光起電力デバイス１７００は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（「ＣＩＧＳ」）、ｐ型層１７０６およびＣｄＳ、ｎ型層１７０７を含む活性領域１７０１を含む薄膜層を備え、この活性領域１７０１は、活性領域内で吸収効率が最大になるように最適化されていない。図１７に示されている光起電力デバイスは、非特許文献３（「Ｋｒｃら」）において開示されているものに類似している。この実施形態は、ガラス基材１７０２、ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層１７０３、多結晶Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）、ｐ型層２２０６、ＣｄＳ、ｎ型層１７０７、およびＭｏもしくはＡｌ反射体層１７０８を含む。
【０１０４】
図１８Ａ〜１８Ｃは、Ｋｒｃらによって報告されているデバイスにおけるＣＩＧＳ、ｐ型層１７０６およびＣｄＳ、ｎ型層１７０７のモデル化された吸光度対波長の一連のグラフである。図１８Ａは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長帯にわたるＧＩＧＳ、ｐ型層１７０６では約６０％の吸光度であることを示している。約５００ｎｍから約７００ｎｍまでほとんど７０％の吸光度が得られた。図１８Ｂは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長帯にわたるＣｄＳ、ｎ型層１７０７の吸光度のグラフを示しており、０％から２０％の吸光度範囲が得られた。図１８Ｃは、約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長帯にわたる活性領域１７０１に対する全吸光度のグラフを示している。この範囲内で平均約７０％の吸光度が得られた。図１８Ａのモデル化されたグラフの結果は、Ｋｒｃで報告されているように図２に示されているＣＩＧＳ層の測定された吸光度とほぼ同じである。後述のように、Ｋｒｃで、また図１８Ａ〜１８Ｃに示されている測定された吸光度とモデル化された吸光度は、光空洞共振器が図１７の実施形態の活性領域１７０１と反射体層１７０８との間に入れられた場合に劇的に改善する。
【０１０５】
図１９Ａは、図１７の活性領域１７０１と反射体層１７０８との間に光空洞共振器１９１０を追加した後の光起電力デバイス１９００Ａの線図である。特に、光起電力デバイス１７００は、上述のＩＭＯＤ設計の原理に従って最適化された。この実施形態では、光空洞共振器は、透明ＩＴＯまたはＺｎＯを含む。ＣｄＳ、ｎ型層１９０７およびＣＩＧＳ、ｐ型層１９０６を含む活性層１９０１の厚さおよび光学特性（例えば、屈折率ｎおよび消光係数ｋ）は変わらなかった。他の実施形態では、ガラス基材１９０２およびＭｏもしくはＡｌ反射体層１９０８のパラメータ、例えば、厚さおよび屈折率は、最適化プロセスによって変わらなかった。ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層１９０４および光空洞共振器１９１０の厚さは変わらず、活性領域１９０１内の吸収は、これにより増大した。ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層１９０４の最適化された厚さは、約３０ｎｍであり、光空洞共振器１９１０の最適化された厚さは、約７０ｎｍであった。次いで、ＣＩＧＳ、ｐ型層１９０６およびＣｄＳ、ｎ型層１９０７の吸光度は、図２０Ａ〜２０Ｃに示されているようにモデル化された。図１９Ｂは、図１９Ａの代替実施形態を示しており、光空洞共振器１９１０は、エアーギャップを含む。
【０１０６】
図２０Ａ〜２０Ｃは、図１９Ａの最適化された光起電力デバイス１９００ＡにおけるＣＩＧＳ、ｐ型層１９０６およびＣｄＳ、ｎ型層１９０７のモデル化された吸光度対波長の一連のグラフである。図２０Ａは、約６０％から９０％の吸光度を示す約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長帯にわたるＣＩＧＳ、ｐ型層１９０６における吸光度のモデル化されたグラフを示している。図２０Ｂは、０％から３０％の吸光度を示す約４００ｎｍから約８００ｎｍまでの波長帯にわたるＣｄＳ、ｎ型層１９０７における吸光度のモデル化されたグラフを示している。図２０Ｃは、４００ｎｍから８００ｎｍの波長帯にわたる約９０％のＣＩＧＳ、ｐ型層１９０６およびＣｄＳ、ｎ型層１９０７の全吸収のモデル化されたグラフを示している。したがって、ＣＩＧＳ、ｐ型層１９０６およびＣｄＳ、ｎ型層１９０７の組み合わせの吸収効率は、図１７の実施形態に上述の方法を適用することによって４００ｎｍから８００ｎｍの波長帯にわたって２０％ほど高められた。
【０１０７】
図２１は、上述の方法によって最適化されたｉＰＶデバイス２１００の一実施形態の線図である。光起電力デバイス２１００は、活性領域２１０１を含む。光起電力デバイス２１００は、活性領域２１０１の上に配設されたガラス基材２１０２およびＩＴＯ層２１０４も備える。活性領域２１０１は、ＣＩＧＳ、ｐ型層２１０６およびＣｄＳ、ｎ型層２１０７を備える。２つの金属層２１０８Ａおよび２１０８Ｂは、それぞれ、ガラス基材２１０２上に配設される（第１の金属層２１０８Ａが第２の金属層２１０８Ｂの上に）。第１の金属層２１０８Ａは、反射体であって同時に電極でもある。第２の金属層２１０８Ｂは電極でもある。誘電体材料２１０８ｃは、反射体２１０８ａと電極２１０８ｂとの間に配設され、これにより、これらの電気経路を互いに電気的に絶縁することができる。金属層２１０８Ａおよび２１０８Ｂは、それぞれ、ＭｏまたはＡｌを含む。この実施形態では、エアーギャップを備える光空洞共振器２１１０が、第１の金属層２１０８Ａと活性領域２１０１との間に形成される。空気は、他の物質に比べて吸収が少なく、ｋの値は低い。また、空気の屈折率は１．０である。エアーギャップが、吸収効率の目的に関しては効果的である場合があるけれども、空気は、電気の不導体である。したがって、光電池は、吸収された光から電流を供給する機能を持たない。この問題は、ビアを使って活性層から電荷を引き込むことで解決される。そのため、第１の金属層２１０８ＡをＣＩＧＳ、ｐ型層２１０６に電気的に接続するのは、第１のビア２１１１Ａである。第２の金属層２１０８ＢをＩＴＯ層２１０４に電気的に接続し、光空洞共振器２１１０、ＣＩＧＳ、ｐ型層２１０６およびＣｄＳ、ｎ型層２１０７に通すのは、第２のビア２１１１Ｂである。第２のビア２１１１Ｂは、絶縁層によって囲まれ、これにより、例えば、ＣＩＧＳ，ｐ型層２１０６からビアを電気的に絶縁することができる。最適化されると、ＩＴＯ層２１０４は、厚さ１５ｎｍを有し、ＣｄＳ、ｎ型層２１０７は、厚さ４０ｎｍを有し、ＣＩＧＳ、ｐ型層２１０６は、厚さ３６０ｎｍを有し、エアーギャップ光空洞共振器２１１０は、厚さ１５０ｎｍを有する。エアーギャップ光空洞共振器２１１０は、二酸化ケイ素または二酸化マグネシウム、またはＭｇＦ２もしくは当技術分野で知られている他の好適な材料など他の透明誘電体で置き換えることができる。さまざまな実施形態において、低いｎ×ｋ値を持つ誘電体が使用される。そのような実施形態では、第１のビア２１１１Ａは、有利には、底部電極をＣＩＧＳ、ｐ型吸収体層２１０６に接続することができる。本明細書で開示されているさまざまな他の実施形態、さらに非導電性材料を含む光共振層（例えば、光空洞共振器）を備える未だ考案されていない実施形態においても、ビアを使用してそのような不導体層を通じて電気的接続を行うことができる。
【０１０８】
図２２は、ビア２１１１Ｂと金属電極層２１０８Ｂが取り除かれている図２１に示されている実施形態の線図である。例えば、伝導性酸化物などの透明導電性材料を含みうる、上部光共振層２２０４を接触させることによって、電気的接触を行わせることができる。
【０１０９】
図２３は、ＩＴＯ層２１０４が取り除かれていることを除き、図２１の実施形態に類似している光起電力デバイス２３００の一実施形態の線図である。したがって、光起電力デバイス２３００は、ガラス基材２３０２、およびガラス基材２３０２上に配設されている、第２の金属層２３０８Ｂ上に配設された第１の金属層２３０８Ａを備える。エアーギャップ光空洞共振器２３１０は、第１の金属層２３０８ＡをＣＩＧＳ、ｐ型層２３０６およびＣｄＳ、ｎ型層２３０７から分離する。上述のように、第１の金属層２３０８Ａは、反射体であるとともに、第１のビア２３１１ＡによってＣＩＧＳ、ｐ型層２３０６の基部に電気的に接続されている電極でもある。同様に、第２の金属層２３０８Ｂは、第２のビア２３１１ＢによってＣｄＳ、ｎ型層２３０７の上に電気的に接続されている電極を備える。最適化されると、ＣｄＳ、ｎ型層２３０７は、厚さ４０ｎｍを有し、ＣＩＧＳ、ｐ型層２３０６は、厚さ３６０ｎｍを有し、エアーギャップ光空洞共振器２３１０は、厚さ１５０ｎｍを有する。上の説明と同様に、エアーギャップ光空洞共振器３０１０は、二酸化ケイ素または二酸化マグネシウムまたは他の誘電体で置き換えることができる。このような実施形態では、第１のビア２３１１Ａは、有利には、電極２３０８ＡをＣＩＧＳ、ｐ型吸収体層２３０６に接続することができる。
【０１１０】
図２４は、約４００ｎｍから約１１００ｎｍまでの波長帯にわたる図２３の光起電力デバイス２３００のＣＩＧＳ、ｐ型層内のモデル化された吸収のグラフである。このグラフから、ＣＩＧＳ、ｐ型層が、約５００ｎｍから約７５０ｎｍまでの波長帯で９０％を超える吸収効率を示すことがわかる。
【０１１１】
一般に、層に関連するパラメータ、例えば、材質および寸法の適切な選択によって活性層内の吸収を増大する層をＰＶデバイスに組み込むことができる。これらの層のうちの１つの層の１つまたは複数のパラメータを、他の層のパラメータを一定に保ちつつ調節することができるか、またはいくつかの実施形態では、活性層内の吸収を増大するように１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを調節することができる。いくつかの実施形態では、活性層内の吸収を増大するように、すべての層の１つまたは複数のパラメータを調節することができる。さまざまな実施形態において、これらのパラメータは、例えば、吸収に対する異なるパラメータの影響を算出することによって、設計段階で調節することができる。最適化手順を使用することができる。各種の他の技術も、性能向上をもたらすパラメータに対する値を得るために使用することができる。
【０１１２】
例えば、図２５Ａは、光共振層２５０６および光空洞共振器２５０３を光起電力デバイス内にどのように組み込み、吸収を増大するためにどのように同調することができるかを示している。このデバイスは、図１９Ａおよび１９Ｂに示されているデバイスをさらに一般化したデバイスである。厚さなどの、光共振層２５０６および光空洞共振器２５０３のパラメータは、デバイスを干渉により同調し、活性層内の吸収を増大するように変えることができる。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、光共振層２５０６および光空洞共振器２５０３は、電極層を備えることができる。しかし、さまざまな実施形態において、光共振層２５０６および光空洞共振器２５０３のいずれか、または両方とも、低い消光（または吸収）係数ｋおよび／または低い屈折率ｎを有し、低いｎ×ｋ値をもたらす材料を含むことができる。光共振層２５０６および光空洞共振器２５０３の一方または両方が、例えば、低いｎ×ｋ値を有することができる。例えば、上述のように、光空洞干渉器２５０３は、空気、またはＳｉＯ２などの誘電体材料、またはＩＴＯまたはＺｎＯのようなＴＣＯなどの導電性材料を含むことができる。低いｋまたはほぼゼロのｋを有する他の材料も、低いｎ×ｋ値が得られるように使用することができる。さらに他の材料も可能である。同様に、光共振層２５０６は、空気、消光（または吸収）係数ｋが低い誘電体材料、またはＩＴＯもしくはＺｎＯのようなＴＣＯなどの導電性材料、またはｎ×ｋ値の低い他の任意の材料を備えることができる。また、他の材料も、使用することができる。
【０１１４】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドもしくは複合構造が、光空洞共振器および／または光共振層に使用される。例えば、光空洞共振器および／または光共振層は、空気／誘電体、導体／誘電体、空気／導体の組み合わせまたは混合物を備えることができる。
【０１１５】
図示されている実施形態において、ＰＶセルの活性層は、ｎ型ＣＤＳ層２５０５およびｐ型ＣＩＧＳ層２５０４を含む。他の実施形態では、活性層は、他の材料を含むことができる。光学積層体は、薄膜加工技術を使用することによって基材２５０１上に堆積できる。基材２５０２は、ガラスまたは他の好適な材料を含みうる。いくつかの実施形態では、反射体２５０２は、基材と光共振層および光空洞共振器によって囲まれた活性層を含む光学積層体の残り部分との間に堆積されうる。反射体は、Ａｌ、Ｍｏ、または金属もしくは誘電体などの他の反射材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、反射体は、単一の材料または複合材料を含むことができる。
【０１１６】
図２５Ａの反射体２５０２も、いくつかのパラメータを最適化するように選択されうる。例えば、反射体層２５０２の材質および厚さは、いくつかの波長帯にわたって反射率を増大または最適化するように選択できる。他の実施形態では、反射体は、特定の波長帯（赤色など）を反射し、他の波長帯（青色など）を吸収するように選択できる。
【０１１７】
上述のように、光空洞共振器２５０３および光共振層２５０６は、ＩＴＯまたはＳｎＯ２などのＴＣＯを含みうる。他の実施形態では、光空洞共振器および光共振層は、透明誘電体材料またはエアーギャップまたはこれらの組み合わせを含むことができる。光空洞共振器２５０３および光共振層２５０６に使用される材料は、同じである必要はない。図２５Ｂは、ｉＰＶセルの一実施形態を示しており、そこでは、光空洞共振器２５０３は、エアーギャップまたはＳｉＯ２などの誘電体材料を含み、また光共振層２５０６は、ＳｉＯ２などの非導電層も含む。活性層からの電子の伝導経路を形成するために、図２５Ｂに示されているようにビア２５０７ａおよび２５０７ｂが形成される。ｉＰＶセルは、図２５Ｂに示されているように反射体２５０２ｂおよび電極２５０２ａを備える。いくつかの実施形態では、電極２５０２ａは、反射体２５０２ｂと同じ材料を含むことができる。反射体２５０２ｂおよび電極２５０２ｃは、導電性材料を含むことができる。ビア２５０７ａは、反射体２５０２ｂで終端し、ビア２５０７ｂは、電極２５０２ａで終端する。外部電気的接続を形成するために、２つの反射体に金属リードを設けることができる。誘電体材料２５０２ｃは、反射体２５０２ｂと電極２５０２ａとの間に配設され、これにより、これらの電気経路を互いに電気的に絶縁することができる。反射体２５０２ａおよび２５０２ｂは、こうして、ビアを使用して活性層から電力を抽出するための電気経路として使用されうる。光共振層２５０６が導電性材料を含む実施形態では、ビア２５０７ｂは、光共振層２５０６まで延在しうる。その代わりに、そのような実施形態では、ビア２５０７ｂは、すべて一緒に排除することもできる。
【０１１８】
図２５Ｃは、活性層と光空洞共振器２５０３との間に配設されている伝導性ＩＴＯ層２５０８を備えるｉＰＶセルの他の実施形態を示している。活性層から来る電子用の伝導経路は、ビア２５０７ａおよび２５０７ｂによって形成される。ビア２５０７ａは、ＩＴＯ層２５０８を反射体２５０２ｂに接続し、ビア２５０７ｂは、ｎ型ＣｄＳ層２５０５を電極２５０２ａに接続する。ＩＴＯ層２５０８および光空洞共振器２５０３は、図１１Ｅ〜１１Ｈで説明されているように複合光空洞共振器を形成することができ、したがって、ＩＴＯは、光空洞共振器の一部であると言える。
【０１１９】
上述のように、図２５Ａ〜２５Ｃに示されているこれらのデバイス内の複数の層のうちの１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータは、例えば、干渉原理を使用して、または干渉効果の結果として、活性層内の吸収を増大化するように調節することができる。
【０１２０】
図２６は、図２５Ａ〜２５Ｃに示されているデバイスより単純なデバイスを示している。このＰＶデバイスは、ｉＰＶの活性層と反射体２６０２との間に配設された光空洞共振器２６０３を備える。ｉＰＶの活性層は、ｎ型ＣｄＳ層２６０５およびｐ型ＣＩＧＳ層２６０４を含む。反射体層２６０２は、Ａｌ、Ｍｏ、または他の金属／誘電体反射材料を含みうる。上述のように、光空洞共振器は、空気、誘電体材料、または低いｎ×ｋ値を持つ透明導電性材料、またはこれらの組み合わせを含むことができる。他の材料も使用することができる。いくつかの実施態様では、反射体２６０２は、取り除いてもよい。上述のように、このデバイス内の複数の層のうちの１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータは、例えば、干渉原理に基づいて活性層内の吸収を増大させるように調節することができる。いくつかの実施形態では、光空洞共振器２６０３を除外してもよく、それでも、活性層内の吸収が増大するように１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを調節することができる。
【０１２１】
異なる層のパラメータを、それらの層のスペクトル特性に基づいて選択することができる。例えば、金は、赤色を中心とする波長領域内で高い消光係数ｋを有し、また青色を中心とする波長領域内で比較的低い消光係数ｋを有する。しかし、金の屈折率ｎは、赤色を中心とする波長領域内では低く、青色を中心とする波長領域内では高い。その結果、金の場合、積ｎ×ｋは、赤色を中心とする波長領域内では低く、青色を中心とする波長領域内では高い。したがって、金を含む反射体は、もっぱら、赤色を中心とする波長群を反射し、青色を中心とする波長群を吸収する。したがって、反射体は、活性層の有用な光吸収域に対応する波長帯（光が吸収され、電力に変換される）において低いｎ×ｋ値を有し、活性層の有用な光吸収域内にない波長（例えば、光エネルギーが熱に変換され、そのため、デバイスの働きが低下する可能性がある）において高いｎ×ｋを有する反射体用の材料を選択することによって吸収を同調させるために使用されうる。例えば、青色光をｉＰＶデバイス内に入らせないことが有利である場合、金の反射体１１０４を形成することが望ましいと思われる。いくつかの実施形態では、反射体材料は、赤外線波長を吸収するように選択できる。
【０１２２】
同様に、上述のように、特定のギャップ距離の選択により、特定の色、例えば、赤色、緑色、または黒色が反射体層（例えば、図１１Ｂ〜Ｈの１１０４）によって反射されるかどうかが決まる。例えば、ギャップ距離は、反射体が活性層または吸収体層のバンドギャップに対応する波長領域内の入射光の実質的部分を反射し、その後活性層／吸収体によって吸収されるように選択することができ、したがって、ＩＭＯＤは黒く見える。しかし、太陽電池セルの効率を高めることを対象とする従来の方法とは反対に、活性層内の吸収を増大するようにｉＰＶデバイスを最適化する上述の方法は、完全に黒色に見えるデバイスに常に関連付けられるわけではない。デバイスは、例えば、いくつかの実施形態では赤み帯びた黒色または他の色に見えることがある。
【０１２３】
図２７は、従来の多接合光起電力デバイス２７００の線図を示している。光起電力デバイス２７００は、ガラス基材２７０２、透明電極２７０４Ａおよび２７０４Ｂ、活性層２７０６Ａ、２７０６Ｂ、２７０６Ｃ、および反射体層２７０８を備える。この実施形態では、基材２７０２はガラスを含み、第１および第２の透明電極２７０４Ａおよび２７０４ＢはＩＴＯを含み、反射体層２７０８はＡｌを含む。第１の活性層２７０６Ａは、青色光を吸収するように構成され、第２の活性層２７０６Ｂは、緑色光を吸収するように構成され、第３の活性層２７０６Ｃは、赤色および赤外光を吸収するように構成される。いくつかの実施形態では、活性層２７０６Ａ、２７０６Ｂ、および２７０６Ｃは、赤色、緑色、または青色に対し異なるバンドギャップを有する類似の材料を含む。いくつかの実施形態では、活性層２７０６Ａ、２７０６Ｂ、および２７０６Ｃは、シリコン、ＧａＡｓ、または当技術分野で知られている他の材料の組み合わせなどの異なる材料系を含む。
【０１２４】
多接合光起電力デバイスでは、光起電力デバイスの接合部のそれぞれにおけるエネルギー吸収を最適化するアプローチが多数ある。例えば、１つのアプローチは、多接合活性層（例えば、２７０６Ａ〜２７０６Ｃ）の組み合わされたスタックと反射体２７０８との間に光空洞共振器を配設するものとすることができる。他のアプローチは、多接合光起電力デバイスを形成するそれぞれの活性層の間に光共振層を配設し、また光起電力デバイスの最後の活性層と反射体との間に光空洞共振器を配設するものとすることができる。これらの２つのアプローチについて、以下で詳しく説明する。
【０１２５】
図２８Ａは、図２７に示されている多接合光起電力デバイスの１つの最適化されたデバイスの線図を示している。この実施形態では、３つの吸収体／活性層２８０６Ａ、２８０６Ｂ、および２８０６Ｃが、「青色」、「緑色」、および「赤色およびＩＲ」の波長帯において光を吸収するように構成されている。これらの吸収体層は、第１の光共振層２８０４Ａと第２の光空洞共振器２８０４Ｂとの間にサンドイッチ状に挟まれる。光共振層２８０４Ａおよび光空洞共振器２８０４Ｂは、透明電極、ＩＴＯ、エアーギャップ、ＳｉＯ２、または他の材料を備えることができる。光共振層または光空洞共振器が、非導電性材料を含む場合、図２８Ｂに示されているようなビアを使用して、電気的接続を形成することができる。「赤色、緑色、および青色」というラベルは、ある範囲の波長を指すにすぎず、例えば、赤色の実際の波長帯を指すわけではない。活性層は、他の波長を吸収することができる。それに加えて、含める領域はそれより多くても少なくてもよい。他の変更形態も可能である。
【０１２６】
図２９Ａは、多接合光起電力デバイスの１つの最適化されたデバイスの線図を示しており、この場合、光共振層は、それぞれの活性層の間に配設されるだけでなく、上部活性層と基材との間にも配設され、光空洞共振器は、底部活性層と反射体との間に配設される。例えば、光共振層２９０４Ａは、基材２９０２と接合部２９０６Ａとの間に配設される。同様に、光共振層と活性層２９０６Ａ、２９０６Ｂ、２９０６Ｃの交互に並ぶ積層を形成するために光共振層２９０４Ｂおよび２９０４Ｃが追加されている。光空洞共振器２９０５は、最後の活性層２９０６Ｃと反射体２９０８との間に配設される。それぞれの光共振層２９０４Ａ〜２８０４Ｃおよび光空洞共振器２９０５は、例えば、ＩＴＯ、エアーギャップ、ＳｉＯ２、または他の媒質を備えることができる。光共振層または光空洞共振器が、非導電性材料を含む場合、図２９Ｂに示されているようなビアを使用して、電気的接続を形成することができる。したがって、光起電力デバイス２９００の光学積層体は、ＩＴＯを含む光共振層２９０４Ａ、青色光の範囲内の波長を吸収するように構成されている活性層２９０６Ａ、光共振層２９０４Ｂ、緑色光の範囲内の波長を吸収するように構成されている活性層２９０６Ｂ、光共振層２９０４Ｃ、赤色および赤外光の範囲内の波長を吸収するように構成されている活性層２９０６Ｃ、光空洞共振器２９０５、および反射体層２９０８を備える。多接合フォトダイオードは、上で説明されている干渉原理に基づいて最適化できる。例えば、多接合光起電力デバイスのこのモデル化され最適化された線図において、それぞれの活性層の吸光度は、光学積層体内に存在する他の層の厚さまたは他の層内で使用される材料を変えることによって高めることができる。光起電力デバイスは、絶縁体２９０８Ｃおよび電極２９０８Ａをさらに備えることができる。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、多接合フォトダイオードは、図２９Ａに示されているものより少ない光共振層を備える。例えば、一実施形態では、光共振層２９０４Ａは、基材２９０２と複数の活性層２９０６Ａのうちの１つの活性層との間に配設され、他の光共振層２９０４Ｂおよび２９０４Ｃは除外されうる。他の実施形態では、光共振層２９０４Ｂは、活性層２９０６Ａと２９０６Ｂとの間に配設され、他の光共振層２９０４Ａおよび２９０４Ｃは除外されうる。他の実施形態では、光共振層２９０４Ｃは、活性層２９０６Ｂと２９０６Ｃとの間に配設され、他の光共振層２９０４Ａおよび２９０４Ｂは除外されうる。他の実施形態では、光共振層２９０４Ａ、２９０４Ｂ、２９０４Ｃのうちの複数の光共振層を含め、１つだけ除外することができる。光空洞共振器２９０５を含めるか、または複数の実施形態のうちのどれかから除外することができる。含める活性層を増やすか、または減らすことができる。これらの活性層は、光共振層以外の層によって分離することができる。使用する光共振層を増やすか、または減らすことができる。したがって、活性層、光共振層、および光空洞共振器の個数、配列構成、および種類は異なることがあり、これは設計および／または最適化プロセスに依存しうる。上述のように、「赤色、緑色、および青色」というラベルは、ある範囲の波長を指すにすぎず、例えば、赤色、緑色、および青色の光の実際の波長帯を指すわけではない。活性層は、他の波長を吸収することができる。他の変更形態も可能である。
【０１２８】
上述のように、光起電力デバイスの異なる実施形態におけるそれぞれの層の組成および／または厚さは、上述の方法を使用して活性層内の吸収を増大し、反射を減少させるように設計および加工段階で最適化されうる。例えば、ｉＰＶの実施形態は、上述のようにＩＭＯＤ設計原理を使用して最適化できる。いくつかの実施形態では、ｉＰＶセルの動作中に動的にこれらの実施形態における光空洞共振器または層の厚さを変化させるためのＭＥＭＳエンジンまたはプラットフォームを備えることができる。したがって、上述のｉＰＶの実施形態は、干渉効果の結果として改善されうる。ＰＶ吸収体／活性領域内のエネルギーの吸収が増大すると、結果として、ｉＰＶデバイスの総合効率が増大しうる。
【０１２９】
しかし、設計は、あらゆる点で真に最適であるわけではない。例えば、光空洞共振器内のＴＣＯ層を含む実施形態では、電気損失は無視できるくらい小さいものとしてよい。しかし、ＴＣＯは、ある種の光学的損失を生じる可能性がある。光空洞共振器内に空気またはＳｉＯ２を含む実施形態は、ビアの存在による光吸収のわずかな減少を示しうる。いくつかの実施形態では、電気的接続のためビアが存在する結果、光開口の損失が生じうる。
【０１３０】
ｉＰＶデバイスのいくつかの実施形態では、活性層の吸収効率の増大または最適化は、ｉＰＶデバイスに関する入射光の配向に必ずしも依存しえない。例えば、入射光がｉＰＶデバイスに対して実質的に法線方向の光である場合の吸収効率は、入射光が高いかすり入射角（例えば、ｉＰＶデバイスの法線から約８９度）で入ってくる光である場合の吸収効率とほぼ同じであるものとしてよい。したがって、太陽電池セルの配向は、最適な吸収効率となるように完全に整列される必要はない。しかしながら、入射角は、活性層に到達する光の強度に影響を及ぼし、したがって、活性層によって吸収される有効なエネルギーに影響を及ぼし、太陽電池セルに到達する光が少なければ少ないほど、活性層によって吸収されるエネルギーの存在量は少ない。したがって、光起電力デバイスの与えられた面積について、能動的追跡（例えば、太陽の進路に合わせて太陽電池を移動する）が行わなければ、入射角θｉが増加するにつれ、ｃｏｓ（θｉ）だけ全吸収エネルギーが減少することに留意されたい。
【０１３１】
しかし、いくつかの実施形態では、吸収効率が入射角の関数として変化する場合に、ｉＰＶスタックは、ＩＭＯＤ原理および干渉効果を使用して特定の入射角に関して設計できる。例えば、非法線角度でデバイスに入射した光の所望の波長の吸収を増大させるように光キャビティの厚さを調節することができる。いくつかの実施形態では、光キャビティは、例えば、異なる時刻において太陽の異なる入射角となるように可変であるものとしてよい（固定されるのとは反対に）。
【０１３２】
本明細書で説明されている原理は、完全に反射的（例えば、不透明）でさらに透過性を有するＰＶデバイスに適用可能である。
【０１３３】
図３０は、従来の半透明ＰＶセルを示している。本明細書で使用されているように、「半透明」という用語は、部分的な光透過性を意味し、５０％の透過に限定されるわけではない。図３０に示されている半透明ＰＶセルは、２つの透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）層３００５と３００２の間に光吸収層３００４をサンドイッチ状に挟むことによって形成される。これらの積層は、基材３００１の上に被さるように配設されうる。電気的接続を形成するように、金属リード３００７をＴＣＯ層３００５上に設けることができる。導電性材料を含む上部光共振層を有する本明細書で説明されているすべての実施形態において、３００７に類似している金属リードを備えることができる。このような金属リードは、他の実施形態においても同様に使用できる。例えば、上層に非導電性材料が含まれる実施形態では、３００７に類似している金属リードを上部非導電層上に備え、金属リードを、例えば、ビアを通して、電極層に電気的に接続することができる。
【０１３４】
光学干渉の原理およびＩＭＯＤ設計原理を使用して図３０の半透明ＰＶセルを最適化するために、１つのアプローチでは、図３１に示されているように光吸収層３１０４と反射体層３１０２との間に光空洞共振器３１０３を配設することができる。いくつかの実施形態では、上部電極層３１０５は、透明電極を含む光共振層とすることができる。上部電極層３１０５は、例えば、ＩＴＯまたはＺｎＯを含むことができる。いくつかの実施形態では、ＡＲコーティングが、上部電極層３１０５上に配設されうる。活性層内の吸収を増大させる光空洞共振器３１０３、反射体層３１０２、活性層３３０４を含むＰＶセルを備えるさまざまな層に対し厚さおよび材料特性（例えば、屈折率ｎおよび消光係数ｋ）を使用することができる。反射体の厚さは、透明度を制御することができる。例えば、非常に薄い反射体を持つｉＰＶデバイスは、比較的厚い反射体層を持つ反射体と比較してより高い透明度を有することがある。反射体層の厚さを減らすことで、半透明のｉＰＶデバイスを生産することができる。例えば、いくつかの実施形態では、半透明ｉＰＶデバイス内の反射体の厚さは、５ｎｍから２５ｎｍまでの範囲の値とすることができる。いくつかの実施形態では、半透明ｉＰＶデバイス内の反射体の厚さは、１ｎｍから５００ｎｍまでの範囲の値とすることができる。さまざまな実施形態において、この反射は、少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％以上の反射率を有する。いくつかの実施形態では、反射体は、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％以上の反射率を有する。いくつかの実施形態では、半透明ＰＶセルは、不透明のＰＶセルと比較して薄いＰＶ材料を使用するように設計されうる。反射体層の厚さは、活性層内の吸収を増大するために、設計、例えば、最適化、計算に組み込むことができる。上述の方法に従って設計された半透明ＰＶセルは、吸収効率が増大するため、図３０に説明されている従来のＰＶセルに比べて効率的なものにできる。本明細書で説明されている他の実施形態ならびにまだ考案されていない実施形態において、ＰＶセルは、少なくとも部分的に透明であるか、または光透過性を有するものとしてよい。
【０１３５】
例えば、図２８Ａ〜２９Ｂに示されている多接合ＰＶは、上述の方法によって部分的光透過性を持たせることができる。図３２Ａは、少なくとも部分的に光透過性を有しうる多接合ＰＶセルの一実施形態も示している。図３２Ａに示されている実施形態は、３つの活性または吸収体層３２０４ａ、３２０４ｂ、および３２０４ｃを含む多接合活性材料を含む。３つの吸収体層は、異なる周波数を有する光を吸収することができる。例えば、層３２０４ａは、赤色およびＩＲ領域内の周波数を有する光を吸収することができ、層３２０４ｂは、緑色領域内の周波数を有する光を実質的に吸収することができ、層３２０４ｃは、青色領域内の周波数を有する光を実質的に吸収することができる。活性層は、代替実施形態では他の波長を吸収することができる。反射体３２０２は、多接合活性材料の下に配設される。光共振層３２０５は、多接合活性材料の上に配設される。光共振層３２０５の厚さおよび材料組成は、活性材料内の吸収が増大または最大化されうるように上述の干渉原理を使用して選択または最適化されうる。図３２Ａに示されている実施形態では、光共振層は、ＴＣＯまたは透明導電性窒化物などの透明導電性材料を含むことができる。しかし、他の実施形態では、光共振層は、ＳｉＯ２またはエアーギャップなどの透明非導電性誘電体を含むことができる。他の実施態様では、光共振層は、上述のような複合構造を備えることができる。他の材料および設計も使用することができる。光共振層が非導電性材料を含む実施形態では、ビア３２０６は、図３２Ｂに示されているように電気的接続を形成するために使用されうる。光学積層体は、図３２Ａおよび図３２Ｂに示されているように基材３２０１上に配設される。基材は、上述のように光透過性を有するか、または不透明であるものとしてよい。
【０１３６】
部分的透過性を有する反射体層は、本明細書で開示されている他の設計で使用されうる。例えば、部分的光透過性を有する反射体層は、単一の活性層を有するＰＶデバイスで使用できる。さらに他の構成も可能である。図３２Ａが示しているように、ＰＶセルは、１つまたは複数の光共振層を含むことができるが、光空洞共振器を備えない。したがって、光空洞共振器は、本明細書で説明されているさまざまなＰＶセル内で除外されうる。
【０１３７】
本明細書で説明されているさまざまな実施形態において、上述のように、活性層内の吸収が最適化されているけれども、いくつかの実施形態では、総合効率は、収集効率などの他の因子の効果をさらに考慮することによって増大または最適化することができる。例えば、吸収効率と収集効率の両方を合わせた効果を高めるように、１つまたは複数のパラメータを調節することができる。例えば、そのような実施形態では、総合効率は、最適化プロセスで監視することができる。しかし、他の性能指数も使用することができ、最適化、設計、または製造プロセスに組み込むことができる。
【０１３８】
上述のように、このデバイスが組み込まれるデバイス群またはシステムをモデル化し、計算を実行して、そのデバイスまたはシステムの性能を評価することができる。いくつかの実施態様では、実際の性能を測定することができる。例えば、総合効率は、活性層を含む電極と電気的接続を行うことによって測定することができる。例えば、電気プローブ３１１０および３１１２が図３１に示されており、これは、金属リード３１０７とこれもまた電極である反射体３１０２のうちの一方と電気的に接触する。電気プローブ３１１０および３１１２は、ＰＶデバイスの電気出力を測定する電圧計３１１４に電気的に接続される。本明細書で開示されているさまざまな実施形態に対し、類似の配列構成を使用することができる。電気出力信号を測定するために、電極層などを介して、金属リードとの電気的接触を形成することができる。他の構成を使用することもできる。
【０１３９】
本明細書で説明されている方法および構造のさまざまなバリエーションも可能である。
【０１４０】
したがって、本明細書で説明されているさまざまな実施形態において、光起電力デバイスの性能は、干渉技術を用いることで改善されうる。いくつかの実施形態では、活性層と反射体との間に配設された光空洞共振器は、１つまたは複数の活性層内の吸収を増大させることができる。しかし、上述のように、別のところに配置されている光共振器層は、１つまたは複数の活性層内の吸収を増大し、またそれに対応して、効率を高めることもできる。したがって、上述のように、１つまたは複数の層の１つまたは複数のパラメータを、例えば、光パワーを電力に変換する際にデバイスの効率を高めるように調節することができる。これらの１つまたは複数の層は、従来の光起電力デバイス内で使用される層であるか、または改善された性能得るためにそのような構造に負荷された層でないものとしてよい。したがって、光共振層は、改善を得るために構造に負荷された層に制限されない。それに加えて、光共振層は、上述の層に限定されず、干渉原理を使用して活性層内の吸収を増大するように同調される他の層を含むことができる。光共振層または光空洞共振器は、電極として動作するような他の機能も有することができる。設計または最適化は、１つまたは複数の活性層内の吸収および効率を増大するように実装されうる。
【０１４１】
それに加えて、さまざまな技術が最適化を実現するものとして上で説明されているけれども、本明細書で説明されている方法および構造は、真の最適な解決法に限定されない。これらの技術は、例えば、活性層内の吸収またはデバイスの総合光学効率を増大するために使用できるが、ただし必ずしも最大にするわけではない。同様に、技術を使用することで、活性層以外の層内の吸収を減少させることができるが、必ずしも吸収を最小にするわけではない。同様に、その結果得られる構造は、必ずしも最適な結果ではなく、それにもかかわらず、改善された性能または特性を示しうる。
【０１４２】
しかし、本明細書で開示されている方法および構造は、いくつかの光起電力デバイスに対する性能上の利点を含む広範な利点をもたらす。例えば、ＰＶセル内で光空洞共振器もしくは他の光共振層を使用することによって、光起電力デバイスの吸収効率を改善することができる。いくつかの実施形態では、例えば、１つまたは複数の活性層の吸収効率は、少なくとも１つの光空洞共振器または光共振層の存在下で少なくとも約２０％だけ増大する。ここで、吸収値は、太陽スペクトル中の波長にわたって積分される。他のいくつかの光起電力デバイスにおいて、太陽スペクトル中の波長にわたって積分された吸収効率は、光空洞共振器または光共振層が存在するせいで少なくとも２５％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％以上の割合だけ増大しうる。他の実施形態では、この増大は、５％以上、１０％以上、または２０％以上とすることができる。いくつかの実施形態については、これらの値は、より小さな波長帯でも積分する場合に適用することができる。
【０１４３】
したがって、１つまたは複数の波長について活性層の効率を増大または最適化するために、干渉原理を適用することができる。例えば、これらの複数の活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、０．７より大きい吸収効率を有し、約４００ｎｍの波長の光を吸収するように構成されうる。これら複数の活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、０．７より大きい吸収効率を有し、４００ｎｍから４５０ｎｍまで、または３５０ｎｍから４００ｎｍまでの範囲の波長の光を吸収するように構成されうる。いくつかの実施形態では、これら１つまたは複数の活性層は、０．７より大きい吸収効率を有し、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲の光を吸収するように構成されうる。他の実施形態では、吸収効率は、２５０ｎｍから１５００ｎｍまでの範囲の単一波長に対して、あるいはその代わりに、２５０ｎｍから５００ｎｍまでの波長帯内の少なくとも５０ｎｍ、１００ｎｍ、または５００ｎｍの帯域幅に対して増大または最適化することができる。いくつかの実施形態については、これらの値は、より小さな波長帯でも積分する場合に適用することができる。
【０１４４】
光起電力デバイスの総合効率も同様に増大しうる。例えば、いくつかの光起電力デバイスでは、太陽スペクトル中の波長にわたって積分された総合変換効率は、１つまたは複数の好適な光共振層の存在下で、少なくとも１５％、２０％、２５％または３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％以上の割合だけ増大しうる。いくつかの実施形態では、この増大は、５％以上または１０％以上とすることができる。いくつかの実施形態では、光起電力デバイスの総合変換効率は、０．７、０．８、０．９、または０．９５より大きい。他の実施形態では、総合変換効率はこれらより小さくてもよい。例えば、総合変換効率は、少なくとも０．３、０．４、０．５、０．６以上とすることができる。一実施形態では、総合変換効率は、０．１または０．２以上としてよい。いくつかの実施形態については、これらの値は、より小さな波長帯でも積分する場合に適用することができる。
【０１４５】
少なくとも５％、１０％、２０％、２５％、３０％以上の１つまたは複数の活性層における太陽エネルギーの吸収の増大は、光学干渉の結果として得られる。これらの吸収値は、太陽スペクトルにわたって積分を行うことによって決定できる。いくつかの実施形態については、これらの値は、より小さな波長帯でも積分する場合に適用することができる。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光空洞共振器または光共振層が存在することで、光起電力デバイスが太陽スペクトルなどの電磁放射線に曝された場合に少なくとも２０％、２５％、または３０％だけ１つまたは複数の活性層内の平均電界強度を高めることができる。他の実施形態では、平均電界強度の増加は、少なくとも４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％以上である。いくつかの実施形態では、この増大は、５％以上、１０％以上、または１５％以上である。後述のように、平均電界強度は、注目する特定の層、例えば、活性層の厚さにわたって平均された電界に対応する。いくつかの実施形態については、これらの値は、より小さな波長帯でも積分する場合に適用することができる。
【０１４７】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光空洞共振器または光共振層の存在によりもたらされる、１つまたは複数の活性層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加は、光起電力デバイス内の他の層について太陽スペクトルにわたって積分された平均電界強度の増加に比べて大きい。いくつかの実施形態では、光起電力デバイスの１つまたは複数の活性層内の平均電界強度は、光共振層がない場合のＰＶセルの１つまたは複数の活性層における平均電界強度の少なくとも１．１倍に増加しうる。いくつかの他の実施形態では、光起電力デバイスの１つまたは複数の活性層内の平均電界強度は、光共振層がない場合のＰＶセルの１つまたは複数の活性層における平均電界の少なくとも１．２倍または１．３倍とすることができる。他の実施形態では、この増加は、１つまたは複数の共振層のない場合のＰＶセルの活性層における平均電界の少なくとも１．４倍、１．５倍、１．６倍、または１．７倍である。いくつかの実施形態については、これらの値は、より小さな波長帯でも積分する場合に適用することができる。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、平均電界強度の増加は、１つまたは複数の活性層以外の光起電力デバイスの他の層では大きい場合がある。しかし、そのような実施形態では、光起電力デバイスのこの他の層における吸収は、１つまたは複数の活性層内の吸収より小さい場合もある。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の活性層内の平均電界は、他の層に比べて高いが、他の実施形態では、その活性層以外の層は、最高の平均電界強度を有する。そのような条件は、太陽スペクトル上の波長またはより小さな波長帯にわたって達成されうる。
【０１４９】
開示されているさまざまな実施形態において、１つまたは複数の活性層によって吸収される光パワーは増大する。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の活性層によって吸収される光パワーの増大は、組み合わされた光起電力デバイスの他のすべての不活性の層によって吸収される光パワーに比べて大きい。１つまたは複数の活性層によって吸収される光パワーの増大は、ＰＶデバイス内の他の層に対する吸収された光パワーの増大の１．１倍、１．２倍、または１．３倍を超えるものとしてよい。他の実施形態では、この増大は、ＰＶセル内の他の層に対する吸収された光パワーの増大の１．４倍、１．５倍、１．６倍、または１．７倍を超える。
【０１５０】
上述のように、これらの値は、太陽スペクトルにわたって積分を行うことによって決定されうる。それに加えて、これらの値は、「エアーマス１．５」として知られている標準日射について決定されうる。
【０１５１】
上記のように、いくつかの実施形態では、これらの値は、太陽スペクトルより小さい波長帯にわたって適用される。これらの値は、例えば、可視波長スペクトル、紫外線波長スペクトル、または赤外線波長スペクトルに適用できる。これらの値は、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１０００ｎｍ以上の波長帯に適用することができる。これらの値は、より大きな、またはより小さな波長帯にも同様に適用することができる。したがって、いくつかの実施形態では、これらの値は、パラメータ、例えば、吸収効率、総合効率、電界、光パワーなどが、太陽スペクトル全体と異なるより小さな波長帯にわたって積分される場合に適用される。
【０１５２】
それに加えて、これらの値は、１つまたは複数の活性層に対する値であるものとすることができる。例えば、ＰＶセルは、１つまたは複数の活性層（ｐ型層、真性半導体層、またはｎ型層など）における吸収をまとめて、または別々に増大するように設計されうる。したがって、これらの値は、これらの層のどれかに個別に、またはこれらの層の任意の組み合わせに適用することができる。
【０１５３】
同様に、１つまたは複数の光共振層は、本明細書で参照されている性能のレベルに寄与しうる。同様に、上記の性能値は、１つの光共振層の、または２つまたはそれ以上の光共振層の１つのグループの１つまたは複数の設計パラメータの存在に依存しうる。
【０１５４】
さまざまな代替構成が可能である。例えば、コンポーネント（例えば、層）は、追加、除去、または再配置が可能である。同様に、処理および方法ステップは、追加、除去、または順序変更が可能である。また、薄膜および層という用語が本明細書で使用されているけれども、本明細書で使用されているそのような用語は、積層膜および多層構造物を含む。そのような積層膜および多層構造物は、接着剤を使用して他の構造物に接着するか、または堆積を使用して、または他の方法で、他の構造物上に形成することができる。同様に、活性層という用語は、ｐ型およびｎ型ドープ領域、および／または活性領域の真性部分を含める場合に使用されうる。同様に、他の種類の材料も、使用することができる。例えば、活性層は、半導体を含むことができるけれども、いくつかの実施形態では、有機材料などの他の材料も使用できる。
【０１５５】
本発明の開示のデバイスには、多くの用途が考えられる。光起電力デバイスは、例えば、家屋またはビルなどの建築構造物上で使用されるか、またはソーラーファームなどの単独の構造物内に使用されうる。太陽光発電デバイスは、自動車、飛行機、船舶、宇宙船などの乗り物に組み込むことができる。太陽電池セルは、限定はしないが、携帯電話、コンピュータ、携帯型商用デバイスを含む、電子機器デバイスに付けて使用することができる。太陽電池セルは、軍事用途、医療用途、民生用途、および科学用途に使用できる。本明細書で特に説明されている範囲を超える用途も可能である。
【０１５６】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな修正および変更を加えることができることも理解するであろう。このような修正形態および変更形態は、添付の請求項によって画定されているとおりに本発明の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【０１５７】
１０１および１０２  表面
１０３  光線
１０４  光路
１０５  光路
１０６  光路
１０７  光路
２０１  上部反射体層
２０２  底部反射体層
２０３  光線
２０４および２０７  経路
３００  干渉変調器スタック
３０１  ガラス基材
３０２  電極層
３０３  吸収体層
３０４  光空洞共振器
３０５  Ａｌ反射体
４００  ＩＭＯＤ
４０１  光線
４０２  光線
４０３  吸収体
４０３  光線
４０３ａ  光線
４０３ｂ  光線
４０４  光線
４０４ａ  光線
４０４ｂ  光線
４０４ｃ  光線
４０５  透過光線
４０５ａ  光線
４０５ｂ、４０５ｃ  光線
４０５ｄ  光線
４０５ｅ  光線
４０５ｆ  光線
４０６  光線
４０６ａ  反射光線
４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄ、４０６ｅ  光線
４０７  光線
４０７ａ  光線
４０７ｆ  反射光線
９００  太陽電池セル
９０１  前面電極
９０１および９０５  電極層
９０２  反射防止（ＡＲ）コーティング
９０３  ｎ型層
９０３および９０４  ＰＶ材料
９０６  電球
９０７  外部回路
１０００  薄膜ＰＶセル
１００１  ガラス基材
１００２  第１の透明電極層
１００３  ＰＶ材料の層
１００５  第２の透明電極層
１００６  反射体
１１０１  ＩＴＯまたはＺｎＯ伝導電極層
１１０２  ＣｄＳを含むｎ型材料の層
１１０３  ＣＩＧＳを含むｐ型材料の層
１１０４  Ｍｏを含む反射体層
１１０５  ガラス基材
１１０６  光空洞共振器
１１０６ａ  ＩＴＯ層
１１０６ｂ  ＳｉＯ２層
１１０６ｃ  エアーギャップ
１１０７  支柱
１２０１、１２０２、１２０３、１２０４  層
１２０３  吸収体層
１２０４  光空洞共振器
１２０５  金属導体／反射体
１３００  ｉＰＶデバイス
１３０２  開始状態
１３０４  状態
１３０６  状態
１３０８  状態
１３１０  終了状態
１４０１  曲線
１４０２  曲線
１４０３  曲線
１５０１  織り目加工されたガラス基材
１５０２  第１のＩＴＯ層
１５０４  領域
１５０６  第２のＩＴＯ層
１５０７  ＡｇまたはＡｌ層
１６００  等高線図
１６１０  吸収
１７００  光起電力デバイス
１７０１  活性領域
１７０２  ガラス基材
１７０３  ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層
１７０６  Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（「ＣＩＧＳ」）、ｐ型層
１７０７  ＣｄＳ、ｎ型層
１７０８  ＭｏもしくはＡｌ反射体層
１９００Ａ  光起電力デバイス
１９０１  活性層
１９０２  ガラス基材
１９０４  ＩＴＯまたはＺｎＯ電極層
１９０６  ＣＩＧＳ、ｐ型層
１９０７  ＣｄＳ、ｎ型層
１９０８  ＭｏもしくはＡｌ反射体層
１９１０  光空洞共振器
２１００  ｉＰＶデバイス
２１００Ｂ  金属電極層
２１０１  活性領域
２１０２  ガラス基材
２１０４  ＩＴＯ層
２１０６  ＣＩＧＳ、ｐ型層
２１０７  ＣｄＳ、ｎ型層
２１０８Ａ  第１の金属層
２１０８ａ  反射体
２１０８Ｂ  第２の金属層
２１０８ｂ  電極
２１０８ｃ  誘電体材料
２１１０  光空洞共振器
２１１１Ａ  第１のビア
２１１１Ｂ  第２のビア
２２０４  上部光共振層
２２０６  多結晶Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）、ｐ型層
２３００  光起電力デバイス
２３０２  ガラス基材
２３０６  ＣＩＧＳ、ｐ型層
２３０７  ＣｄＳ、ｎ型層
２３０８Ａ  第１の金属層
２３０８Ｂ  第２の金属層
２３１０  エアーギャップ光空洞共振器
２３１１Ａ  第１のビア
２５０１  基材
２５０２  基材
２５０２  反射体
２５０２ａ  電極
２５０２ｂ  反射体
２５０３  光空洞共振器
２５０４  ｐ型ＣＩＧＳ層
２５０５  ｎ型ＣＤＳ層
２５０６  光共振層
２５０７ａおよび２５０７ｂ  ビア
２５０８  伝導性ＩＴＯ層
２６０２  反射体
２６０３  光空洞共振器
２６０４  ｐ型ＣＩＧＳ層
２６０５  ｎ型ＣｄＳ層
２７００  従来の多接合光起電力デバイス
２７０２  ガラス基材
２７０４Ａおよび２７０４Ｂ  透明電極
２７０６Ａ、２７０６Ｂ、２７０６Ｃ  活性層
２７０８  反射体層
２８０４Ａ  第１の光吸収層
２８０４Ｂ  第２の光空洞共振器
２８０６Ａ、２８０６Ｂ、および２８０６Ｃ  吸収体／活性層
２９０２  基材
２９０４Ａ  光共振層
２９０４Ｂおよび２９０４Ｃ  光共振層
２９０５  光空洞共振器
２９０６Ａ  接合部
２９０６Ａ、２９０６Ｂ、２９０６Ｃ  活性層
２９０８  反射体
３００１  基材
３００４  光吸収層
３００５と３００２  透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）層
３００７  金属リード
３０１０  エアーギャップ光空洞共振器
３１０２  反射体層
３１０３  空洞共振器
３１０４  光吸収層
３１０５  上部電極層
３１０７  金属リード
３１１０および３１１２  電気プローブ
３１１４  電圧計
３２０１  基材
３２０４ａ、３２０４ｂ、および３２０４ｃ  活性または吸収体層
３２０６  ビア
【図１】
0005615885.tif 000002
【図２】
0005615885.tif 000003
【図３】
0005615885.tif 000004
【図４Ａ】
0005615885.tif 000005
【図５Ｃ】
0005615885.tif 000006
【図５Ｄ】
0005615885.tif 000007
【図６Ａ】
0005615885.tif 000008
【図６Ｂ】
0005615885.tif 000009
【図６Ｃ】
0005615885.tif 000010
【図６Ｄ】
0005615885.tif 000011
【図７Ａ】
0005615885.tif 000012
【図７Ｂ】
0005615885.tif 000013
【図７Ｃ】
0005615885.tif 000014
【図７Ｄ】
0005615885.tif 000015
【図８Ａ】
0005615885.tif 000016
【図８Ｂ】
0005615885.tif 000017
【図８Ｃ】
0005615885.tif 000018
【図８Ｄ】
0005615885.tif 000019
【図９】
0005615885.tif 000020
【図１０】
0005615885.tif 000021
【図１１Ａ】
0005615885.tif 000022
【図１１Ｂ】
0005615885.tif 000023
【図１１Ｃ】
0005615885.tif 000024
【図１１Ｄ】
0005615885.tif 000025
【図１１Ｅ】
0005615885.tif 000026
【図１１Ｆ】
0005615885.tif 000027
【図１１Ｇ】
0005615885.tif 000028
【図１１Ｈ】
0005615885.tif 000029
【図１１Ｉ】
0005615885.tif 000030
【図１１Ｊ】
0005615885.tif 000031
【図１２】
0005615885.tif 000032
【図１３】
0005615885.tif 000033
【図１４】
0005615885.tif 000034
【図１５Ａ】
0005615885.tif 000035
【図１５Ｂ】
0005615885.tif 000036
【図１５Ｃ】
0005615885.tif 000037
【図１５Ｄ】
0005615885.tif 000038
【図１５Ｅ】
0005615885.tif 000039
【図１５Ｆ】
0005615885.tif 000040
【図１５Ｇ】
0005615885.tif 000041
【図１８Ｂ】
0005615885.tif 000042
【図１８Ｃ】
0005615885.tif 000043
【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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